A novel templating method to create 3D bicontinuous structured hybrid electrolytes with improved mechanical properties for all-solid-state lithium batteries.

Extreme deformation of high-entropy alloys increases toughness by converting crystalline structures to amorphous zones.

The fracture of ceramic solid electrolytes, driven by the plating of lithium within cracks, has been identified as one of the fundamental issues to successfully develop solid-state batteries. Understanding the mechanics of lithium at the nanoscale is therefore essential. In this work, the elastic and plastic properties of lithium are measured by nanoindentation within an electron microscope. Lithium metal samples are characterized by electron backscattered diffraction before and after indentation to understand the dependence of the mechanical properties on crystallographic orientation and determine the stiffness tensor components, moduli, and Poisson's ratio using a method first proposed by Vlassak and Nix. The measured stiffness tensor components are C11 = 13.3, C12 = 11.2, and C44 = 8.8 GPa. Hardness measurements show a clear size effect with hardness in excess of 100 MPa observed for indent depths below 300 nm, which could contribute toward observed lithium filament propagation.

Abstract Solid-state lithium-based batteries offer higher energy density than their Li-ion counterparts. Yet they are limited in terms of negative electrode discharge performance and require high stack pressure during operation. To circumvent these issues, we propose the use of lithium-rich magnesium alloys as suitable negative electrodes in combination with Li 6 PS 5 Cl solid-state electrolyte. We synthesise and characterise lithium-rich magnesium alloys, quantifying the changes in mechanical properties, transport, and surface chemistry that impact electrochemical performance. Increases in hardness, stiffness, adhesion, and resistance to creep are quantified by nanoindentation as a function of magnesium content. A decrease in diffusivity is quantified with 6 Li pulsed field gradient nuclear magnetic resonance, and only a small increase in interfacial impedance due to the presence of magnesium is identified by electrochemical impedance spectroscopy which is correlated with x-ray photoelectron spectroscopy. The addition of magnesium aids contact retention on discharge, but this must be balanced against a decrease in lithium diffusivity. We demonstrate via electrochemical testing of symmetric cells at 2.5 MPa and 30 ∘ C that 1% magnesium content in the alloy increases the stripping capacity compared to both pure lithium and higher magnesium content alloys by balancing these effects.

The fracture of ceramic solid electrolytes, driven by the plating of lithium within cracks, has been identified as one of the fundamental issues to successfully develop solid-state batteries. Understanding the mechanics of lithium at the nanoscale is therefore essential. In this work, the elastic and plastic properties of lithium are measured by nanoindentation within an electron microscope. Lithium metal samples are characterised by electron backscattered diffraction (EBSD) before and after indentation to understand the dependence of the mechanical properties on crystallographic orientation, and determine the stiffness tensor components, moduli and Poisson’s ratio using a method first proposed by Vlassak and Nix. The measured stiffness tensor components are C11=13.3, C12=11.2, and C44=8.8 GPa. Hardness measurements show a clear size effect with hardness in excess of 100 MPa observed for indent depths below 300 nm, which could contribute toward observed lithium filament propagation.

The fracture of ceramic solid electrolytes, driven by the plating of lithium within cracks, has been identified as one of the fundamental issues to successfully develop solid-state batteries. Understanding the mechanics of lithium at the nanoscale is therefore essential. In this work, the elastic and plastic properties of lithium are measured by nanoindentation within an electron microscope. Lithium metal samples are characterised by electron backscattered diffraction (EBSD) before and after indentation to understand the dependence of the mechanical properties on crystallographic orientation, and determine the stiffness tensor components, moduli and Poisson’s ratio using a method first proposed by Vlassak and Nix. The measured stiffness tensor components are C11=13.3, C12=11.2, and C44=8.8 GPa. Hardness measurements show a clear size effect with hardness in excess of 100 MPa observed for indent depths below 300 nm, which could contribute toward observed lithium filament propagation.

Lithium alloys have the potential to overcome anode-side challenges in solid state batteries. In this work we synthesise and characterise lithium-rich magnesium alloys, quantifying the changes in mechanical properties, transport, and surface chemistry that impact electrochemical performance. Increases in hardness, stiffness, adhesion, and creep are quantified by nanoindentation as a function of magnesium content. A decrease in diffusivity is quantified with chronopotentiometry and 6Li PFG-NMR, and an increase in interfacial impedance due to the presence of magnesium is identified with electrochemical impedance spectroscopy which is correlated with XPS data. Throughout, changes in properties are linked to electrochemical performance. This work provides a framework to investigate other lithium alloy systems. Jack Aspinall et al. Lithium magnesium alloys: a framework for investigating lithium alloy anodes for solid state batteries, 16 March 2023, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2688902/v1]