Interface engineering enabling thin lithium metal electrodes down to 0.78 μm for garnet-type solid-state batteries

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作者
Weijie Ji,Bi Luo,Qi Wang,Guihui Yu,Zixun Zhang,Yi Tian,Zaowen Zhao,Ruirui Zhao,Shubin Wang,Xiaowei Wang,Bao Zhang,Jiafeng Zhang,Zhiyuan Sang,Ji Liang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1): 9920-9920 被引量:28
标识
DOI:10.1038/s41467-024-54234-w
摘要

Abstract Controllable engineering of thin lithium (Li) metal is essential for increasing the energy density of solid-state batteries and clarifying the interfacial evolution mechanisms of a lithium metal negative electrode. However, fabricating a thin lithium electrode faces significant challenges due to the fragility and high viscosity of Li metal. Herein, through facile treatment of Ta-doped Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZTO) with trifluoromethanesulfonic acid, its surface Li 2 CO 3 species is converted into a lithiophilic layer with LiCF 3 SO 3 and LiF components. It enables the thickness control of Li metal negative electrodes, ranging from 0.78 μm to 30 μm. Quasi-solid-state lithium-metal battery with an optimized 7.54 μm-thick lithium metal negative electrode, a commercial LiNi 0.83 Co 0.11 Mn 0.06 O 2 positive electrode, and a negative/positive electrode capacity ratio of 1.1 shows a 500 cycles lifespan with a final discharge specific capacity of 99 mAh g −1 at 2.35 mA cm −2 and 25 °C. Through multi-scale characterizations of the thin lithium negative electrode, we clarify the multi-dimensional compositional evolution and failure mechanisms of lithium-deficient and -rich regions (0.78 μm and 7.54 μm), on its surface, inside it, or at the Li/LLZTO interface.
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