Iniciación y propagación de dendritas en litio metálico sólido

Nature volumen 618, páginas 287–293 (2023)Citar este artículo

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Las baterías de estado sólido con ánodo de litio y electrolito cerámico tienen el potencial de ofrecer un cambio radical en el rendimiento en comparación con las baterías de iones de litio actuales1,2. Sin embargo, las dendritas (filamentos) de Li se forman al cargar a velocidades prácticas y penetran en el electrolito cerámico, lo que provoca un cortocircuito y una falla de la celda3,4. Los modelos anteriores de penetración de dendrita generalmente se han centrado en un solo proceso para la iniciación y propagación de dendrita, con Li conduciendo la grieta en su punta5,6,7,8,9. Aquí mostramos que la iniciación y la propagación son procesos separados. La iniciación surge de la deposición de Li en los poros del subsuelo, por medio de microfisuras que conectan los poros con la superficie. Una vez lleno, la carga adicional genera presión en los poros debido a la extrusión lenta de Li (flujo viscoplástico) de regreso a la superficie, lo que provoca el agrietamiento. Por el contrario, la propagación de las dendritas se produce por la apertura de la cuña, con Li impulsando la grieta seca desde la parte trasera, no desde la punta. Mientras que la iniciación está determinada por la resistencia a la fractura local (microscópica) en los límites de grano, el tamaño de poro, la densidad de población de poros y la densidad de corriente, la propagación depende de la tenacidad a la fractura (macroscópica) de la cerámica, la longitud de la dendrita Li (filamento) que ocupa parcialmente la fisura seca, la densidad de corriente, la presión de chimenea y la capacidad de carga a la que se accede durante cada ciclo. Las presiones de pila más bajas suprimen la propagación, extendiendo notablemente el número de ciclos antes del cortocircuito en las células en las que se han iniciado las dendritas.

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Estos autores contribuyeron igualmente: Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic LR Melvin

Departamento de Materiales, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Ziyang Ning, Dominic LR Melvin, Yang Chen, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Junliang Liu, Bingkun Hu, Xiangwen Gao, Johann Perera, Chen Gong, Shengda D. Pu, Shengming Zhang, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Richard I. Todd, Patrick S. Grant, David EJ Armstrong, T. James Marrow y Peter G. Bruce

Laboratorio de Innovación en Ciencia y Tecnología de Fujian para Dispositivos de Energía (21C Lab), Ningde, China

Ziyang Ning

Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Guanchen Li y Charles W. Monroe

Escuela de Ingeniería James Watt, Universidad de Glasgow, Glasgow, Reino Unido

Guanchen Li

La Institución Faraday, Campus de Harwell, Didcot, Reino Unido

Guanchen Li, Dominic LR Melvin, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Xiangwen Gao, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Patrick S. Grant, David EJ Armstrong, Charles W. Monroe y Peter G. Bruce

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Bath, Bath, Reino Unido

yang chen

Fuente de luz de diamante, campus de Harwell, Didcot, Reino Unido

Andrew J Bodey

Departamento de Química, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Pedro G. Bruce

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ZN, GL y DLRM contribuyeron a todos los aspectos de la investigación. ZN, DLRM, DS-J., SDP, GOH y AJB realizaron el operando sincrotrón XCT. ZN y DLRM realizaron la preparación de discos de electrolitos y el ensamblaje de celdas. ZN, DLRM, CG y XG realizaron la espectrometría de masas en línea. ZN, DLRM, BH, BL y JB realizaron las imágenes de plasma FIB. DLRM y JB realizaron imágenes FIB de plasma con SIMS. ZN, DLRM, JP, JL y DEJA realizaron la preparación de microvoladizos y ensayos mecánicos. GL, YC y CWM realizaron el modelado. ZN, GL, DLRM, DS-J., RIT, PSG, DEJA, TJM, CWM y PGB discutieron los datos. Todos los autores contribuyeron a la interpretación de los datos. ZN, DLRM, GL, CWM y PGB escribieron el manuscrito, con contribuciones y revisiones de todos los autores. El proyecto fue supervisado por CWM, TJM y PGB

Correspondencia a T. James Marrow, Charles W. Monroe o Peter G. Bruce.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Kelsey Hatzell, Chen-Zi Zhao y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Este archivo contiene detalles del modelado de iniciación y propagación de dendritas, Figs. complementarias. 1–21 y tablas complementarias 1–3.

Imágenes de Operando XCT que muestran el desarrollo de una fisura de dendrita desde el inicio hasta la propagación y el cortocircuito.

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Reimpresiones y permisos

Ning, Z., Li, G., Melvin, DLR et al. Iniciación y propagación de dendritas en baterías de estado sólido de metal de litio. Naturaleza 618, 287–293 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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Recibido: 02 Octubre 2022

Aceptado: 17 de marzo de 2023

Publicado: 07 junio 2023

Fecha de emisión: 08 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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