Development of Li2ZrO3-coated NMC811 Cathode via Wet-Surface Coating Process and itsElectrochemical Evaluation in Argyrodite-Based Solid-State Lithium Batteries

Abstract

Konvensjonelle Li-ion-batterier (LIB-er) med en flytende elektrolytt blir stadig mer populære, spesielt for bruk i elektriske kjøretøy, men det er fortsatt behov for forbedringer i deres energi- og effekttettheter samt deres pålitelighet og sikkerhet. Dette har gjenoppstått interessen for all-solid-state batterier (ASSB), en mulig neste generasjons energilagringsteknologi som bruker en solid keramisk elektrolytt for ioneledning i stedet for en flytende elektrolytt. Påføring av Ni-rikt lagdelt oksid kjent som NCM eller NMC, katodeaktive materialer (CAM) med litiumtiofosfat faste elektrolytter (SE), er viktig for utviklingen av ASSB. Men på grunn av noen tekniske problemer med grensesnittet til CAM/SE, kan ikke ASSB-er ennå matche ytelsen til tradisjonelle LIB-er. Li6PS5Cl (LPSCl) har vært den foretrukne SE for ASSB-forskning takket være dens sterke ioniske ledningsevne og gunstige mekaniske egenskaper. På grunn av stabilitetsproblemer til SE har imidlertid LPSCl nedbrytningsreaksjoner ved grensesnittene under sykling. Å belegge et beskyttende lag på NCM-sekundærpartiklene er en god måte å undertrykke eller dempe disse bireaksjonene. En enkel våtbeleggingsprosess har blitt designet med suksess i dette arbeidet, for å oppnå Li2ZrO3 (LZO) belagt LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NMC811). Ulike LZO-vektprosent, typer forløpere, forhold for løsningsmiddelfordampning og kalsineringstemperaturer ble undersøkt for å justere fordelingen, oppnå ensartethet og kontrollere krystalliniteten til LZO-belegglagene. Den optimale belegningsprosessen førte til et veldig jevnt og konformt beleggslag av LZO som har blitt avslørt morfologien ved røntgendiffraksjon (XRD), skanningstransmisjonselektronmikroskopi (S(T)EM) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) analyse. Tverrsnittsmetoden gjøres for å bestemme fordelingen av belegglaget og for å evaluere dopingeffekten av på NMC811 ved høy kalsineringstemperatur. I tillegg er forbehandlingen av vannfølsomme NMC-materialer med sitronsyre i fuktighetsløsningsmidlet, som kreves i andre vanlig brukte sol-gel-beleggmetoder, unødvendig i vår undersøkelse av den vannfrie prosessen for å skape ensartede LZO-belegg. Dessuten er denne beleggstilnærmingen egnet for storskala industriell applikasjon og kommersialisering av Ni-rike NCM-baserte katoder på grunn av dens enkelhet, kostnadseffektivitet, energieffektivitet, skalerbarhet og reproduserbarhet. ASSB-er av pellet-type ble fremstilt ved bruk av polyether ether keton (PEEK) celler. For å lage katodekompositt, forholdet 11:16:1 til load CAM (coated CAM); SE; og karbon som brukes. Li-In-legering produseres via kulometrisk titrering av indium med litium og brukes som anode, og LPSCl-pellet er plassert mellom to elektroder. Beleggene har ikke bare økt den spesifikke kapasiteten til ASSB under den første utladningen (fra 103 mAh/g til 149 mAh/g), men de har også forbedret andre elektrokjemiske ytelser til den Ni-rike NM811 når det gjelder C-rate og syklus. stabilitet

Conventional Li-ion batteries (LIBs) with a liquid electrolyte are becoming more popular, especially for use in electric vehicles, but there is still a need for improvements in their energy and power densities as well as their reliability and safety. This has reignited interest in all-solid-state batteries (ASSBs), a possible next-generation energy storage technology that uses a solid ceramic electrolyte for ionic conduction rather than a liquid electrolyte. Application of Ni-rich layered oxide known to as NCM or NMC, cathode active materials (CAMs) with lithium thiophosphate solid electrolytes (SEs), are important for the development of ASSBs. But because of some technical problems with the interface of CAM/SE, ASSBs cannot yet match the performance of traditional LIBs. Li6PS5Cl (LPSCl) has been the preferred SE for ASSB research thanks to its strong ionic conductivity and favorable mechanical properties. However, due to stability problems of the SE, LPSCl has decomposition reactions at the interfaces during cycling. Coating a protective layer on the NCM secondary particles is a good way to suppress or at mitigate these side reactions. A facile wet coating process has been successfully designed in this work, to achieve Li2ZrO3 (LZO) coated LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NMC811). Different LZO weight percentage, types of precursors, conditions of solvent evaporation, and calcination temperatures were investigated in order to tune the distribution, achieve uniformity, and control the crystallinity of LZO coating layers. The optimal coating process led to very uniform and conformal coating layer of LZO which have been revealed the morphology by X-ray diffraction (XRD), scanning transmission electron microscopy (S(T)EM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis. The cross-sectioning method is done in order to determine the distribution of the coating layer and to evaluate the doping effect of on NMC811 in high calcination temperature. In addition, the pretreatment of water-sensitive NMC materials with citric acid in the moisture solvent, which is required in other commonly used sol-gel coating methods, is unnecessary in our investigation of the water-free process to create uniform LZO coatings. Moreover, this coating approach is appropriate for large-scale industrial application and commercialization of Ni-rich NCM-based cathodes due to its simplicity, cost-effectiveness, energy efficiency, scalability, and reproducibility. Pellet-type ASSBs were fabricated using polyether ether ketone (PEEK) cells. For creating cathode composite, the ratio of 11:16:1 to load CAM (coated CAM); SE; and carbon as is used. Li-In alloy is produced via coulometric titration of indium by lithium and is utilized as the anode, and LPSCl pellet is positioned between two electrodes. The coatings have not only increased the specific capacity of ASSB during the initial discharge(from 103 mAh/g to 149 mAh/g), but they have also improved other electrochemical performances of the Ni-rich NM811 in terms of C-rate and cycling stability