journal article·2018-06

Challenges and perspectives of garnet solid electrolytes for all solid-state lithium batteries

Qi Liu, Zhen Geng, Cuiping Han, Yongzhu Fu, Song Li, Yan-bing He, Feiyu Kang, Baohua Li

Publisher page

Abstract

Abstract Garnet Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid electrolytes recently have attracted tremendous interest as they have the potential to enable all solid-state lithium batteries (ASSLBs) owing to high ionic conductivity (10−3 to 10−4 S cm−1), negligible electronic transport, wide potential window (up to 9 V), and good chemical stability. Here we present the key issues and challenges of LLZO in the aspects of ion conduction property, interfacial compatibility, and stability in air. First, different preparation methods of LLZO are reviewed. Then, recent progress about the improvement of ionic conductivity and interfacial property between LLZO and electrodes are presented. Finally, we list some emerging LLZO-based solid-state batteries and provide perspectives for further research. The aim of this review is to summarize the up-to-date developments of LLZO and lead the direction for future development which could enable LLZO-based ASSLBs.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Advanced Battery Materials and Technologies · Advancements in Battery Materials · Thermal Expansion and Ionic Conductivity

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (100+)

Show source-provided references
1. Tarascon · Nature · 2001 · 414 · 35910.1038/35104644 ↗
2. Yu · Energy Environ. Sci. · 2018 · 11 · 52710.1039/C7EE02555F ↗
3. Zuo · Adv. Mater. · 2017 · 29
4. Xu · Carbon · 2018 · 127 · 45910.1016/j.carbon.2017.11.003 ↗
5. Fu · Energy Environ. Sci. · 2017 · 10 · 156810.1039/C7EE01004D ↗
6. Stallworth · J. Power Sources · 1999 · 73910.1016/S0378-7753(99)00144-5 ↗
7. Janek · Nat. Energy · 2016 · 1 · 1614110.1038/nenergy.2016.141 ↗
8. Zheng · Nat. Energy · 2017 · 2 · 1701210.1038/nenergy.2017.12 ↗
9. Zheng · Nat. Energy · 2017 · 2 · 1702910.1038/nenergy.2017.29 ↗
10. Zhao · Nat. Nanotechnol. · 2017 · 12 · 99310.1038/nnano.2017.129 ↗
11. Rehnlund · Energy Environ. Sci. · 2017 · 10 · 135010.1039/C7EE00244K ↗
12. Li · Adv. Sci. · 2017 · 4
13. Zhang · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 215510.1002/adma.201504117 ↗
14. Yang · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 805810.1038/ncomms9058 ↗
15. Zheng · Nat. Nanotechnol. · 2014 · 9 · 61810.1038/nnano.2014.152 ↗
16. Yan · Nat. Energy · 2016 · 1 · 1601010.1038/nenergy.2016.10 ↗
17. Miao · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 2177110.1038/srep21771 ↗
18. Basile · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1179410.1038/ncomms11794 ↗
19. Li · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 743610.1038/ncomms8436 ↗
20. Mukherjee · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 371010.1038/ncomms4710 ↗
21. Wang · Sci. Rep. · 2013 · 3 · 140110.1038/srep01401 ↗
22. Zhou · Carbon · 2018 · 129 · 66710.1016/j.carbon.2017.12.054 ↗
23. Cheng · Chem. Rev. · 2017 · 117 · 1040310.1021/acs.chemrev.7b00115 ↗
24. Yang · Adv. Mater. · 2017 · 29
25. Hansel · Nanoscale · 2016 · 8 · 1841210.1039/C6NR06955J ↗
26. Thangadurai · J. Am. Ceram. Soc. · 2003 · 86 · 43710.1111/j.1151-2916.2003.tb03318.x ↗
27. Zhou · Adv. Energy Mater. · 2016 · 6
28. Unemoto · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 226710.1002/adfm.201303147 ↗
29. Mohtadi · Nat. Rev. Mater. · 2016 · 2 · 1609110.1038/natrevmats.2016.91 ↗
30. Zhang · Energy Storage Mater. · 2018 · 10 · 13910.1016/j.ensm.2017.08.015 ↗
31. Murugan · Angew Chem. Int. Ed. Engl. · 2007 · 46 · 777810.1002/anie.200701144 ↗
32. Manthiram · Nat. Rev. Mater. · 2017 · 2 · 1610310.1038/natrevmats.2016.103 ↗
33. Fu · CrystEngComm · 2016 · 18 · 423610.1039/C6CE00171H ↗
34. Lu · Adv. Mater. · 2017 · 29
35. Wang · J. Mater. Chem. · 2017 · 5 · 2384410.1039/C7TA08233A ↗
36. Cui · Adv. Sci. · 2017 · 410.1002/advs.201700174 ↗
37. Chopade · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2017 · 9 · 1456110.1021/acsami.7b02514 ↗
38. Cheng · Adv. Energy Mater. · 2017 · 8
39. Zhong · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 2548410.1038/srep25484 ↗
40. Yue · Energy Storage Mater. · 2016 · 5 · 13910.1016/j.ensm.2016.07.003 ↗
41. Yuan · Adv. Funct. Mater. · 2016 · 26 · 593010.1002/adfm.201600888 ↗
42. Liu · Nano Energy · 2016 · 22 · 27810.1016/j.nanoen.2016.02.008 ↗
43. Pan · Adv. Mater. · 2015 · 27 · 599510.1002/adma.201502059 ↗
44. Bouchet · Nat. Mater. · 2013 · 12 · 45210.1038/nmat3602 ↗
45. Liu · J. Mater. Chem. · 2017 · 5 · 1112410.1039/C7TA02423A ↗
46. Yi · Energy Environ. Sci. · 2017 · 10 · 86010.1039/C6EE03499C ↗
47. Deng · J. Power Sources · 2017 · 360 · 9810.1016/j.jpowsour.2017.06.006 ↗
48. Ohta · J. Power Sources · 2014 · 265 · 4010.1016/j.jpowsour.2014.04.065 ↗
49. Kato · Nat. Energy · 2016 · 1 · 1603010.1038/nenergy.2016.30 ↗
50. Li · Angew Chem. Int. Ed. Engl. · 2017 · 56 · 75310.1002/anie.201608924 ↗
51. Sudo · Solid State Ionics · 2014 · 262 · 15110.1016/j.ssi.2013.09.024 ↗
52. Kamaya · Nat. Mater. · 2011 · 10 · 68210.1038/nmat3066 ↗
53. Zhu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 2368510.1021/acsami.5b07517 ↗
54. Minami · Solid State Ionics · 2006 · 177 · 271510.1016/j.ssi.2006.07.017 ↗
55. Buschmann · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 1937810.1039/c1cp22108f ↗
56. Zheng · Angew Chem. Int. Ed. Engl. · 2016 · 55 · 1253810.1002/anie.201607539 ↗
57. Thangadurai · Chem. Soc. Rev. · 2014 · 43 · 471410.1039/c4cs00020j ↗
58. Bates · Sohd State Iomcs · 1992 · 53–56 · 647
59. Thompson · ACS Energy Lett. · 2017 · 2 · 46210.1021/acsenergylett.6b00593 ↗
60. Han · Adv. Energy Mater. · 2016 · 6
61. Ohta · J. Power Sources · 2011 · 196 · 334210.1016/j.jpowsour.2010.11.089 ↗
62. Awaka · Chem. Lett. · 2011 · 40 · 6010.1246/cl.2011.60 ↗
63. Wang · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 665010.1021/acs.chemmater.5b02429 ↗
64. Han · Chem. Commun. · 2012 · 48 · 984010.1039/c2cc35089k ↗
65. Jalem · Chem. Mater. · 2013 · 25 · 42510.1021/cm303542x ↗
66. Xu · Phys. Rev. B · 2012 · 85 · 05230110.1103/PhysRevB.85.052301 ↗
67. Xia · J. Am. Ceram. Soc. · 2017 · 100 · 283210.1111/jace.14865 ↗
68. Thompson · J. Mater. Chem. · 2014 · 2 · 1343110.1039/C4TA02099E ↗
69. Jin · J. Power Sources · 2011 · 196 · 868310.1016/j.jpowsour.2011.05.065 ↗
70. Allen · J. Power Sources · 2012 · 206 · 31510.1016/j.jpowsour.2012.01.131 ↗
71. Mukhopadhyay · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 365810.1021/acs.chemmater.5b00362 ↗
72. Wang · J. Mater. Chem. · 2014 · 2 · 2027110.1039/C4TA03591G ↗
73. Dhivya · AIP Adv. · 2013 · 3 · 08211510.1063/1.4818971 ↗
74. Shao · Electrochim. Acta · 2017 · 225 · 34510.1016/j.electacta.2016.12.140 ↗
75. Chen · J. Phys. Chem. C · 2017 · 121 · 1556510.1021/acs.jpcc.7b04004 ↗
76. Shin · Sci. Rep. · 2015 · 5 · 1805310.1038/srep18053 ↗
77. Rangasamy · Solid State Ionics · 2012 · 206 · 2810.1016/j.ssi.2011.10.022 ↗
78. Li · J. Alloy. Comp. · 2017 · 695 · 374410.1016/j.jallcom.2016.11.277 ↗
79. Wagner · Chem. Mater. · 2016 · 28 · 186110.1021/acs.chemmater.6b00038 ↗
80. Wolfenstine · J. Power Sources · 2012 · 208 · 19310.1016/j.jpowsour.2012.02.031 ↗
81. Geiger · Inorg. Chem. · 2011 · 50 · 108910.1021/ic101914e ↗
82. Awaka · J. Solid State Chem. · 2009 · 182 · 204610.1016/j.jssc.2009.05.020 ↗
83. Chen · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 196310.1021/acs.jpcc.7b10911 ↗
84. Bernstein · Phys. Rev. Lett. · 2012 · 109 · 20570210.1103/PhysRevLett.109.205702 ↗
85. Botros · J. Power Sources · 2016 · 309 · 10810.1016/j.jpowsour.2016.01.086 ↗
86. Cheng · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 207310.1021/am508111r ↗
87. Zhang · J. Power Sources · 2014 · 268 · 96010.1016/j.jpowsour.2014.03.148 ↗
88. Sakamoto · Nanotechnology · 2013 · 24 · 42400510.1088/0957-4484/24/42/424005 ↗
89. Mondal · Solid State Ionics · 1999 · 118 · 33110.1016/S0167-2738(98)00452-4 ↗
90. Yu · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 963910.1021/acs.chemmater.7b02805 ↗
91. Jin · J. Power Sources · 2013 · 239 · 32610.1016/j.jpowsour.2013.03.155 ↗
92. Qin · Appl. Phys. Lett. · 2018 · 112
93. Tian · Energy Environ. Sci. · 2017 · 10 · 115010.1039/C7EE00534B ↗
94. Tatsumisago · J. Asian Ceram. Soc. · 2013 · 1 · 1710.1016/j.jascer.2013.03.005 ↗
95. Sakuda · Chem. Mater. · 2010 · 22 · 94910.1021/cm901819c ↗
96. Hayashi · Electrochem. Commun. · 2008 · 10 · 186010.1016/j.elecom.2008.09.026 ↗
97. Mizuno · J. Electrochem. Soc. · 2005 · 152 · A149910.1149/1.1939633 ↗
98. Cheng · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2014 · 16 · 1829410.1039/C4CP02921F ↗
99. Liu · J. Power Sources · 2015 · 282 · 28610.1016/j.jpowsour.2015.02.050 ↗
100. Wang · J. Power Sources · 2018 · 377 · 710.1016/j.jpowsour.2017.11.078 ↗