High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes

材料科学 电解质 锂(药物) 离子电导率 无定形固体 枝晶(数学) 阳极 快离子导体 电导率 化学工程 化学 物理化学 电极 结晶学 医学 几何学 数学 工程类 内分泌学
作者
Fudong Han,Andrew S. Westover,Jie Yue,Xiulin Fan,Fei Wang,Miaofang Chi,Donovan N. Leonard,Nancy J. Dudney,Howard Wang,Chunsheng Wang
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:4 (3): 187-196 被引量:1648
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0312-z
摘要

Solid electrolytes (SEs) are widely considered as an ‘enabler’ of lithium anodes for high-energy batteries. However, recent reports demonstrate that the Li dendrite formation in Li7La3Zr2O12 (LLZO) and Li2S–P2S5 is actually much easier than that in liquid electrolytes of lithium batteries, by mechanisms that remain elusive. Here we illustrate the origin of the dendrite formation by monitoring the dynamic evolution of Li concentration profiles in three popular but representative SEs (LiPON, LLZO and amorphous Li3PS4) during lithium plating using time-resolved operando neutron depth profiling. Although no apparent changes in the lithium concentration in LiPON can be observed, we visualize the direct deposition of Li inside the bulk LLZO and Li3PS4. Our findings suggest the high electronic conductivity of LLZO and Li3PS4 is mostly responsible for dendrite formation in these SEs. Lowering the electronic conductivity, rather than further increasing the ionic conductivity of SEs, is therefore critical for the success of all-solid-state Li batteries. Despite its importance in lithium batteries, the mechanism of Li dendrite growth is not well understood. Here the authors study three representative solid electrolytes with neutron depth profiling and identify high electronic conductivity as the root cause for the dendrite issue.
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