Mechanical properties of three‐dimensional trilayered Li–garnet electrolyte for high‐rate cycling in solid‐state batteries

材料科学 抗弯强度 纳米压痕 复合材料 多孔性 微观结构 电解质 弹性模量 缩颈 集电器 电极 化学 物理化学
作者
Zhezhen Fu,Eric D. Wachsman
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:107 (3): 1481-1489 被引量:3
标识
DOI:10.1111/jace.19339
摘要

Abstract Utilizing tape casting–laminating–sintering technique, we developed a three‐dimensional (3D) porous–dense–porous trilayered Li–garnet framework that enables symmetric cycling lithium metal under high current densities for long time (∼3–10 mA/cm 2 for over ∼500 h). To address the reasons that such 3D Li–garnet framework can withhold high current density and long‐term cycling, both experiments (nanoindentation and bending) and simulations (finite element analysis [FEA]) regarding mechanical properties on such 3D framework were employed. The results indicate that (1) the dense layer has high and uniform elastic modulus and hardness so can efficiently prevent lithium penetration and dendrites growth; (2) the porous layer, including the grains and the necking regions, has high nanomechanical properties to withhold the lithium penetration stress; (3) the spherical pores in the porous layer can withhold higher lithium penetration forces/stress compared with rectangular/regular pores based on FEA. The flexural strength of the whole structure was also characterized using the three‐point bending method to demonstrate the high strength (∼30.8–42.1 MPa) of the 3D framework. A rule‐of‐mixtures model was developed, which can be used to estimate the flexural strength of the trilayered framework based on the microstructures. Correlations between the mechanical properties and the high‐rate cycling are further discussed.
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