リチウム金属固体におけるデンドライトの発生と成長

Natura Volume 618, pagina

Nature volume 618、pages 287–293 (2023)この記事を引用

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Li 負極とセラミック電解質を備えた全固体電池は、現在のリチウムイオン電池と比較して性能が段階的に変化する可能性があります1、2。ただし、実用的な速度で充電すると、Li デンドライト (フィラメント) が形成され、セラミック電解質に浸透し、短絡や電池の故障につながります 3、4。デンドライト貫通のこれまでのモデルは一般に、Li がその先端で亀裂を駆動する、デンドライトの開始と伝播の単一プロセスに焦点を当てていました5、6、7、8、9。ここでは、開始と伝播が別個のプロセスであることを示します。開始は、細孔を表面に接続する微小亀裂による、表面下の細孔への Li の堆積によって起こります。一度充填されると、さらに充電すると、Li が表面にゆっくりと押し出され（粘塑性流）、細孔内の圧力が高まり、亀裂が発生します。対照的に、デンドライトの伝播はくさびの開口部によって発生し、Li が先端ではなく後部からドライクラックを駆動します。開始は粒界の局所的（微視的）破壊強度、細孔サイズ、細孔密度、電流密度によって決まりますが、伝播はセラミックの（巨視的）破壊靱性、Liデンドライト（フィラメント）の長さに依存します。これは、乾燥亀裂、電流密度、スタック圧力、各サイクル中にアクセスされる充電容量を部分的に占めます。スタック圧力が低いと伝播が抑制され、樹状突起が発生し始めたセル内で短絡するまでのサイクル数が大幅に長くなります。

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PGB は、ファラデー研究所 SOLBAT (FIRG007、FIRG008、FIRG026)、工学および物理科学研究評議会、次世代リチウム電池の実現 (EP/M009521/1)、オックスフォード大学の実験装置アップグレード (EP/ M02833X/1) およびヘンリー・ロイス先端材料研究所 (EP/R0066X/1、EP/S019367/1、EP/R010145/1) から資金援助を受けています。ダイヤモンド光源の I13-2 ビームラインでの放射光ビームタイム (実験番号 MG23980-1) を提供していただいたダイヤモンド光源に感謝します。 AJ Bodey による I13-2 ビームラインにおける技術的および実験的サポートに感謝します。

これらの著者は同様に貢献しました: Ziyang Ning、Guanchen Li、Dominic LR Melvin

オックスフォード大学材料学部、オックスフォード、英国

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・トッド、パトリック・S・グラント、デヴィッド・E・J・アームストロング、T・ジェームス・マロー、ピーター・G・ブルース

福建省エネルギーデバイス科学技術イノベーション研究所（21Cラボ）、中国寧徳市

紫陽寧

オックスフォード大学工学部、オックスフォード、英国

Guanchen Li & Charles W. Monroe

ジェームズ・ワット工学部、グラスゴー大学、グラスゴー、英国

グアンチェン・リー

ファラデー研究所、ハーウェルキャンパス、ディドコット、英国

グアンチェン・リー、ドミニク・L・R・メルビン、ジュンフ・ブー、ドミニク・スペンサー＝ジョリー、シアンウェン・ガオ、ボーヤン・リウ、ギャレス・O・ハートリー、パトリック・S・グラント、デヴィッド・E・J・アームストロング、チャールズ・W・モンロー、ピーター・G・ブルース

英国バース、バース大学機械工学科

ヤン・チェン

ダイヤモンド光源、ハーウェルキャンパス、ディドコット、英国

アンドリュー・J・ボディイ

オックスフォード大学化学科、オックスフォード、英国

ピーター・G・ブルース

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ZN、GL、DLRM は研究のあらゆる側面に貢献しました。 ZN、DLRM、DS-J.、SDP、GOH、AJBはオペランドシンクロトロンXCTを実施した。 ZN と DLRM は、電解質ディスクの準備とセルの組み立てを実行しました。 ZN、DLRM、CG、および XG はオンライン質量分析を実行しました。 ZN、DLRM、BH、BL、JB はプラズマ FIB イメージングを実行しました。 DLRM と JB は SIMS を使用してプラズマ FIB イメージングを実行しました。 ZN、DLRM、JP、JL、DEJA はマイクロカンチレバーの準備と機械的テストを実施しました。 GL、YC、CWM がモデリングを実施しました。 ZN、GL、DLRM、DS-J.、RIT、PSG、DEJA、TJM、CWM、および PGB がデータについて議論しました。すべての著者がデータの解釈に貢献しました。 ZN、DLRM、GL、CWM、および PGB が原稿を執筆し、すべての著者からの寄稿と改訂が行われました。このプロジェクトはCWM、TJM、PGBによって監督されました。

T. ジェームスマロー、チャールズ W. モンロー、またはピーター G. ブルースとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Kelsey Hatzell 氏、Chen-Zi Zhao 氏、およびその他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

このファイルには、樹状突起の開始と伝播モデリングの詳細、補足図が含まれています。 1 ～ 21 および補足表 1 ～ 3。

樹枝状亀裂の発生から伝播、短絡までの進展を示すオペランド XCT イメージング。

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転載と許可

Ning、Z.、Li、G.、Melvin、DLR 他。リチウム金属固体電池におけるデンドライトの発生と伝播。 Nature 618、287–293 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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受信日: 2022 年 10 月 2 日

受理日: 2023 年 3 月 17 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

発行日: 2023 年 6 月 8 日

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

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