Polymorphism of garnet solid electrolytes and its implications for grain-level chemo-mechanics

材料科学 电解质 微晶 衍射 快离子导体 显微镜 化学物理 复合材料 冶金 化学 光学 物理 电极 物理化学
作者
Marm Dixit,Bairav S. Vishugopi,Wahid Zaman,Péter Kenesei,Jun‐Sang Park,Jonathan Almer,Partha P. Mukherjee,Kelsey B. Hatzell
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:21 (11): 1298-1305 被引量:48
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01333-y
摘要

Understanding and mitigating filament formation, short-circuit and solid electrolyte fracture is necessary for advanced all-solid-state batteries. Here, we employ a coupled far-field high-energy diffraction microscopy and tomography approach for assessing the chemo-mechanical behaviour for dense, polycrystalline garnet (Li7La3Zr2O12) solid electrolytes with grain-level resolution. In situ monitoring of grain-level stress responses reveals that the failure mechanism is stochastic and affected by local microstructural heterogeneity. Coupling high-energy X-ray diffraction and far-field high-energy diffraction microscopy measurements reveals the presence of phase heterogeneity that can alter local chemo-mechanics within the bulk solid electrolyte. These local regions are proposed to be regions with the presence of a cubic polymorph of LLZO, potentially arising from local dopant concentration variation. The coupled tomography and FF-HEDM experiments are combined with transport and mechanics modelling to illustrate the degradation of polycrystalline garnet solid electrolytes. The results showcase the pathways for processing high-performing solid-state batteries.
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