Exploring optimal cathode composite design for high-performance all-solid-state batteries

材料科学 复合数 阴极 离子键合 混合(物理) 纳米技术 复合材料 化学工程 离子 电气工程 电极 物理化学 工程类 物理 电解质 有机化学 化学 量子力学
作者
Yoon Jun Kim,Trung Dinh Hoang,Su Cheol Han,Joo An Bang,Ho Won Kang,Jae Hyun Kim,Heetaek Park,Jun-Ho Park,Jun‐Woo Park,Gumjae Park,You‐Jin Lee,Doohun Kim,Seung-Wook Eom,Jeong‐Hee Choi,Seoung‐Ki Lee,Janghyuk Moon,Yoon‐Cheol Ha,Byung Gon Kim
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:71: 103607-103607 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103607
摘要

All-solid-state batteries (ASSBs) have attracted considerable attention due to their high stability, offering a safer alternative to currently used batteries. Extensive research has been conducted to improve cathode part performance. However, the conventional hand mixing (HM) process results in inhomogeneous particle distribution, causing poor interparticle contact due to uneven stress distribution, and the solution process causes unwanted solid electrolyte (SE) deterioration when using a polar solvent although it ensures uniform SE distribution. To overcome these limitations, based on the design rule considering SE surface coverage of less than 100 %, we propose a cathode/SE composite, showing decent ionic/electronic conductivities, uniform SE distribution, and intimate interparticle contact, achievable through a mass-producible mechanical mixing (MM) process. Unlike the HM cell, the MM cell forms well-defined ionic percolating pathways and shows excellent structural stability. Consequently, the MM cell exhibits improved capacity retention during 1000 cycles and stable cyclability even under the harsh condition of 7 wt% SE. Finite element analysis theoretically demonstrates that uniform electrode and electrolyte currents are responsible for the improved performances including increased cathode utilization efficiency and reduced overpotentials. This study reveals the importance of composite design and uniform SE distribution in developing high-performance ASSBs at a practical cell level.
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