An operando 3D optical microscopy study on the Li metal anode formation in anode-less solid-state batteries
Master thesis
![Thumbnail](/ntnu-xmlui/bitstream/handle/11250/3132160/no.ntnu%3ainspera%3a161191079%3a35267006.pdf.jpg?sequence=5&isAllowed=y)
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3132160Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Faststoffbatterier med metalliske litiumanoder har et stort potensiale til å betydelig øke ders energitetthet og har nylig fått mye oppmerksomhet. Komplekse og kostbare produksjonsprosesser hindrer imidlertid, for øyeblikket, deres kommersielle suksess. På den annen side finner man litiummetallbatterier uten overskudd av Li, såkalte ”anodefrie Li batterier”, som finner en måte å omgå disse problemene på, ved å elektroplettere Li-metallanoden in situ under den første oppladningen. Denne innovative tilnærmingen forenkler produksjonen ved å eliminere behovet for å håndtere Li, noe som fører til betydelige reduksjoner både i tid og kostnader. Likevel presenterer fraværet av et Li-reservoar i cellen et tveegget sverd; på den ene siden muliggjør det en potensiell fordobling av energitetthetene til dagens Li-ion-batterier, mens det på den andre siden innfører et krav om ultra-høy effekt ved hver ladesyklus for å forhinde unødvendig Li-forbruk. Videre kan ujevn vekst av Li føre til penetrering av faststoffelektrolytten, som utgjør en stor sikkerhetsrisiko, og er en betydelig begrensning i alle Li-metallbatterier. I denne studien adresserer vi derfor mulige løsninger for å overkomme disse utfordringene, spesifikt ved å undersøke effekten av trykk og legerende Mg-filmer på morfologien til avsatt Li. En spesialdesignet operando testcelle, kombinert med 3D-optisk mikroskopi, blir brukt for å studere litiumavsetning på en faststoff elektrolytt av type Li7La3Zr2O12. Det blir vist at Mg-filmer reduserer overpotensialet som kreves for å igangsette Li avsetning, og at trykk er helt essensielt for å unngå porer i disse Li formasjonene. Videre vises det at mekaniske og morfologiske egenskaper til de tynne, pletterte, strømkollektorene har stor påvirkning på Li-avsetningskarakteristikken. Disse funnene fremhever de lovende effektene av å implementere legerende filmer, samt at de impliserer viktigheten av å benytte tykkere, tettere strømkollektorer. Det konkluderes med at, til tross for problemene knyttet til Li avlegging i anodefritt design, så er det lovende fremskritt på vei for å muliggjøre mer jevne Li-lag, som dermed styrker deres posisjon innen avansert energilagring. Solid-state batteries incorporating lithium metal anodes exhibit great potential in boosting energy densities and have recently garnered substantial attention. However, their intricate and costly production processes currently hinder their commercial viability. Conversely, zero-excess lithium metal batteries, also known as ”anode-less Li batteries” provide a means of circumventing these issues by electrodepositing the Li metal anode in situ during the initial charge. This innovative approach streamlines production by eliminating the need to handle Li, leading to a considerable reduction in both time and cost expenses. Nevertheless, the absence of a Li reservoir in the cell presents a double-edged sword; on the one hand, enabling a potential doubling of state-of-the-art energy densities of Li-ion batteries, while on the other, being reliant on ultra-high cycling efficiencies to prevent detrimental Li consumption. Moreover, the inhomogeneous plating and safety concerns associated with Li penetration through the solid electrolyte pose a significant constraint in all Li metal cells. In this study, we address potential solutions to alleviate these challenges, specifically by investigating the impact of stack pressure and alloying Mg interlayers on the morphology of plated Li. A specially designed operando test cell, coupled with 3D-optical microscopy, is employed to examine lithium plating on garnet-type Li7La3Zr2O12 samples. It is found that Mg-interlayers reduce the overpotential needed to initiate Li deposition and that stack pressures are essential in preventing void formation in these deposits. Further, mechanical and morphological properties of the thin, deposited current collectors are shown to highly impact the Li plating characteristics. These findings highlight the promising effects of alloying interlayers, while also implicating the necessity of employing thicker and denser current collectors. It is concluded that, despite the plating issues exhibited by the ”anode-less” design, promising advancements in enabling more homogeneous deposition layers are underway, thereby enhancing their position in advanced energy storage applications.