Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries
Notice bibliographique
Résumé
The advancement of all-solid-state lithium metal batteries requires breakthroughs in solid-state electrolytes (SSEs) for the suppression of lithium dendrite growth at high current densities and high capacities (>3 mAh cm−2) and innovation of SSEs in terms of crystal structure, ionic conductivity and rigidness. Here we report a superionic conducting, highly lithium-compatible and air-stable vacancy-rich β-Li3N SSE. This vacancy-rich β-Li3N SSE shows a high ionic conductivity of 2.14 × 10−3 S cm−1 at 25 °C and surpasses almost all the reported nitride-based SSEs. A Li- and N-vacancy-mediated fast lithium-ion migration mechanism is unravelled regarding vacancy-triggered reduced activation energy and increased mobile lithium-ion population. All-solid-state lithium symmetric cells using vacancy-rich β-Li3N achieve breakthroughs in high critical current densities up to 45 mA cm−2 and high capacities up to 7.5 mAh cm−2, and ultra-stable lithium stripping and plating processes over 2,000 cycles. The high lithium compatibility mechanism of vacancy-rich β-Li3N is unveiled as intrinsic stability to lithium metal. In addition, β-Li3N possesses excellent air stability through the formation of protection surfaces. All-solid-state lithium metal batteries using the vacancy-rich β-Li3N as SSE interlayers and lithium cobalt oxide (LCO) and Ni-rich LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (NCM83) cathodes exhibit excellent battery performance. Extremely stable cycling performance is demonstrated with high capacity retentions of 82.05% with 95.2 mAh g−1 over 5,000 cycles at 1.0 C for LCO and 92.5% with 153.6 mAh g−1 over 3,500 cycles at 1.0 C for NCM83. Utilizing the vacancy-rich β-Li3N SSE and NCM83 cathodes, the all-solid-state lithium metal batteries successfully accomplished mild rapid charge and discharge rates up to 5.0 C, retaining 60.47% of the capacity. Notably, these batteries exhibited a high areal capacity, registering approximately 5.0 mAh cm−2 for the compact pellet-type cells and around 2.2 mAh cm−2 for the all-solid-state lithium metal pouch cells. This new β-Li3N solid-state electrolyte demonstrates a vacancy-mediated superionic diffusion mechanism, achieving high ionic conductivity (2.14 × 10−3 S cm−1) and effectively suppressing lithium dendrite growth. Its high compatibility with lithium and air stability promises improved safety and performance in all-solid-state lithium metal batteries, making it ideal for advanced energy storage applications.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
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