Nanostructured Si-C Composites As High-Capacity Anode Material For All-Solid-State Lithium-Ion Batteries

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作者
Stephanie Poetke,Felix Hippauf,Anne Baasner,Susanne Dörfler,Holger Althues,Stefan Kaskel
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.14096049.v1
摘要

Silicon carbon void structures (Si-C) are attractive anode materials for Lithium-ion batteries to cope with the volume changes of silicon during cycling. In this study, Si-C with varying Si contents (28 ‑ 37 %) are evaluated in all-solid-state batteries (ASSBs) for the first time. The carbon matrix enables enhanced performance and lifetime of the Si-C composites compared to bare silicon nanoparticles in half-cells even at high loadings of up to 7.4 mAh cm -2 . In full cells with nickel-rich NCM (LiNi 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 O 2 , 210 mAh g -1 ), kinetic limitations in the anode lead to a lowered voltage plateau compared to NCM half-cells. The solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, 3 mS cm -1 ) does not penetrate the Si-C void structure resulting in less side reactions and higher initial coulombic efficiency compared to a liquid electrolyte (72.7 % vs. 31.0 %). Investigating the influence of balancing of full cells using 3-electrode ASSB cells revealed a higher delithiation of the cathode as a result of the higher cut-off voltage of the anode at high n/p ratios. During galvanostatic cycling, full cells with either a low or rather high overbalancing of the anode showed the highest capacity retention of up to 87.7 % after 50 cycles.
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