LCO-coated NMC811 as zero-strain cathode for all-solid-state batteries

Abstract

Neste generasjons batterier er avgjørende for videreutviklingen av elektriske kjøretøy og elektroniske enheter. Nåværende litiumbatterier innehar betydelig risiko på grunn av deres brennbare flytende elektrolytter og potensialet for termisk utløp. Faststoffbatterier tilbyr en lovende løsning ved å erstatte den flytende elektrolytten med et fast materiale, noe som i stor grad vil redusere risikoen for brann. I denne forskningen blir syntesen av en katode som ikke opplever deformasjon designet for å redusere mekaniske belastninger og forbedre levetiden til faststoffbatterier.

Studien fokuserer på fabrikasjon av kjerne-skall katodepartikler ved bruk av trinnvis mechanofusion for å skape en struktur uten deformasjon. NMC811 ble brukt som vertsmaterialet og valgt på grunn av sin høye spesifikke kapasitet. LCO var beleggmaterialet, kjent for økt stabilitet og kompatibilitet med den faste elektrolytten. Kombinasjonen av NMC811 og LCO legger til rette for kjemomekanisk balanse, hvor ekspansjon og sammentrekning under lade- og utladningssyklusene balanseres. Slik reduseres det mekaniske spenningsnivået og forhindrer strukturell degradering.

De første kjerne-skall partiklene viste en litt ru overflate med synlige porer i den lagdelte skallstrukturen. Derimot forbedret etterfølgende varmebehandling egenskapene til kjerne-skall partiklene. Skallet ble tett, mengden porer ble redusert og overflaten viste et jevnere belegg.

Elektrokjemisk testing av de varmebehandlede prøvene viste at høyere temperatur forbedret den innledende spesifikke kapasiteten. Den best ytende cellen ble oppvarmet til 700 °C i 10 timer og oppnådde en spesifikk kapasitet på 93,8 mAh/g. Selv om motstanden i grenseflaten mellom katode og elektrolytt samt middelmådig krystallinitet påvirket kjerne-skall ytelsen negativt, viste varmebehandling høy bevaring av kapasitet. En prøve oppvarmet til 600 °C i 5 timer viste meget god kapasitetsbevaring på 78,3 % etter 148 sykluser ved 0,2 C. Prøver varmebehandlet i 10 timer viste gjennomsnittlige colombisk effektivitet over 99,5 %, hvilket indikerer utmerket reversibilitet av de elektrokjemiske reaksjonene. Temperaturer over 800 °C førte til strukturell degradering, endringer i gitterparametere og kjerne-skall diffusjon.

The development of next-generation batteries is vital for the advancement of electric vehicles and electronic devices. Current lithium-ion batteries present notable safety risks due to their flammable liquid electrolytes and potential for thermal runaway. All-solid-state batteries offer a promising solution by replacing the liquid electrolyte with a solid counterpart, greatly reducing ignition risks. The research explores the synthesis of a zero-strain cathode designed to mitigate mechanical stresses and improve the longevity of all-solid-state batteries.

The study focuses on the fabrication of core-shell cathode particles using stepwise mechanofusion to create a quasi-zero-strain structure. NMC811 acting as the host material, was chosen for its high specific capacity. The LCO served as the guest and coating material, known for its enhanced stability and compatibility with the solid electrolyte. The combination of NMC811 and LCO facilitates chemo-mechanical balancing, where the expansion and contraction during charge and discharge cycles are balanced, reducing mechanical stress and preventing structural degradation.

Initial core-shell particles exhibited a slightly rough surface morphology with visible pores in the layered shell structure. However, subsequent heat treatment enhanced the properties of the core-shell particles. The shell was densified, the amount of pores got reduced, and the surface morphology displayed a smoother and more uniform coating.

Electrochemical testing of the heat-treated samples demonstrated that higher annealing temperatures improved the initial specific capacity. The best-performing cell was heated at 700 °C for 10 hours and achieved a specific capacity of 93.8 mAh/g. Although interfacial resistance and mediocre crystallinity negatively impacted the core-shell performance, annealed samples showed great capacity retention. A sample heated at 600 °C for 5 hours exhibited superior capacity retention of 78.3 % after 148 cycles at 0.2 C. Samples annealed for 10 hours maintained average coulombic efficiencies above 99.5 %, indicating excellent reversibility of the electrochemical reactions. Notably, temperatures exceeding 800 °C led to structural degradation, lattice changes, and elemental core-shell diffusion.