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Chemo-mechanical failure of solid composite cathodes accelerated by high-strain anodes in all-solid-state batteries

材料科学 阳极 阴极 复合数 固态 拉伤 复合材料 工程物理 电极 电气工程 化学 物理化学 工程类 医学 内科学
作者
Junhee Kang,Hong Rim Shin,Jonghyeok Yun,Siwon Kim,Beomsu Kim,Kyeongsu Lee,Yongjun Lim,Jong‐Won Lee
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:63: 103049-103049 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.103049
摘要

Large volume changes in Li-based anodes during repeated charge-discharge cycling, which can exert additional mechanical stresses on cell components, remain a significant bottleneck for realizing all-solid-state batteries (ASSBs). While a few studies have reported the mechanical deformation of solid electrolyte layers induced by the volume changes in anodes, the possible degradation of composite cathodes has been largely overlooked. Herein, we present a comparative experimental-simulation study of sulfide-based ASSBs assembled with high-strain (Li-In) and zero-strain (Li4Ti5O12 (LTO)) anodes to understand the impact of anode volume changes on the chemo-mechanical degradation of composite cathodes. The Li-In cell suffers from severe capacity loss after ∼120 cycles, whereas the LTO cell shows a capacity retention as high as 76 % over 200 cycles. In-depth chemical and microstructural analyses, coupled with impedance decoupling and mechanical simulations, reveal that the combination of the cathode volume changes and the high-strain Li-In anode perturbs the structural integrity of the LiNi0.88Co0.09Al0.03O2 (NCA) composite cathode and facilitates "dynamic" contacts among the cathode constituents upon repeated cycling. This leads to enhanced parasitic interfacial reactions, as evidenced by the increased amount of resistive phases in the cathode. The resulting chemically/electrochemically heterogeneous interfaces between the NCA and Li6PS5Cl lead to accelerated cracking of the NCA aggregates in the presence of anode-induced stresses. This study highlights the accelerated degradation of composite cathodes driven by high-strain anodes and provides insights into the design of ASSBs with long cycle lifetimes.

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