Analysis of Interfacial Effects in All-Solid-State Batteries with Thiophosphate Solid Electrolytes

材料科学 微观结构 电解质 硫代磷酸盐 电池(电) 阴极 快离子导体 复合数 电导率 化学工程 复合材料 电极 功率(物理) 电气工程 热力学 工程类 物理 物理化学 有机化学 化学
作者
Anton Neumann,Simon Randau,Katharina Becker-Steinberger,Timo Danner,Simon Hein,Ziyang Ning,T.J. Marrow,Felix H. Richter,Jürgen Janek,Arnulf Latz
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (8): 9277-9291 被引量:98
标识
DOI:10.1021/acsami.9b21404
摘要

All-solid-state batteries (ASSBs) present a promising route toward safe and high-power battery systems in order to meet the future demands in the consumer and automotive market. Composite cathodes are one way to boost the energy density of ASSBs compared to thin-film configurations. In this manuscript, we investigate composites consisting of β-Li3PS4 (β-LPS) solid electrolyte and high-energy Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2 (NMC622). The fabricated cells show a good cycle life with a satisfactory capacity retention. Still, the cathode utilization is below the values reported in the literature for systems with liquid electrolytes. The common understanding is that interface processes between the active material and solid electrolyte are responsible for the reduced performance. In order to throw some light on this topic, we perform 3D microstructure-resolved simulations on virtual samples obtained via X-ray tomography. Through this approach, we are able to correlate the composite microstructure with electrode performance and impedance. We identify the low electronic conductivity in the fully lithiated NMC622 as material inherent restriction preventing high cathode utilization. Moreover, we find that geometrical properties and morphological changes of the microstructure interact with the internal and external interfaces, significantly affecting the capacity retention at higher currents.
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