Li Dynamics in Mixed Ionic-Electronic Conducting Interlayer of All-Solid-State Li-metal Batteries

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作者
Daxian Cao,Yuxuan Zhang,Tongtai Ji,Xianhui Zhao,Ercan Cakmak,Soydan Ozcan,Michael Geiwitz,Jean-Christophe Bilheux,Kang Xu,Ying Wang,Kenneth S. Burch,Qingsong Tu,Hongli Zhu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (5): 1544-1552 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04072
摘要

Lithium–metal (Li0) anodes potentially enable all-solid-state batteries with high energy density. However, it shows incompatibility with sulfide solid-state electrolytes (SEs). One strategy is introducing an interlayer, generally made of a mixed ionic-electronic conductor (MIEC). Yet, how Li behaves within MIEC remains unknown. Herein, we investigated the Li dynamics in a graphite interlayer, a typical MIEC, by using operando neutron imaging and Raman spectroscopy. This study revealed that intercalation-extrusion-dominated mechanochemical reactions during cell assembly transform the graphite into a Li-graphite interlayer consisting of SE, Li0, and graphite-intercalation compounds. During charging, Li+ preferentially deposited at the Li-graphite|SE interface. Upon further plating, Li0-dendrites formed, inducing short circuits and the reverse migration of Li0. Modeling indicates the interface has the lowest nucleation barrier, governing lithium transport paths. Our study elucidates intricate mechano-chemo-electrochemical processes in mixed conducting interlayers. The behavior of Li+ and Li0 in the interlayer is governed by multiple competing factors.
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