Achieving stable all-solid-state lithium-metal batteries by tuning the cathode-electrolyte interface and ionic/electronic transport within the cathode

阴极 电解质 材料科学 锂(药物) 硫化物 氧化物 复合数 快离子导体 化学工程 电极 化学 物理化学 复合材料 工程类 冶金 医学 内分泌学
作者
Ruyi Fang,Yijie Liu,Yutao Li,Arumugam Manthiram,John Bannister Goodenough
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:64: 52-60 被引量:111
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2023.03.001
摘要

All-solid-state batteries with sulfide electrolytes and high-nickel layered oxide cathodes attract much interest due to their high specific energy. However, their cycling performance is primarily influenced by the interface between the sulfide electrolyte and the high-Ni layered oxide particles, which requires the use of composite cathodes with high ionic and electronic conductivities to achieve a kinetically stable interface inside the cathode. Here, we apply Ti2O3 particles to the high-Ni cathode LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811), where Ti2O3 not only acts as an electronic conductor to provide a fast diffusion path for electrons in the composite cathode, but also absorbs the lattice oxygen released from NCM811 cathode during cycling, stabilizing the Li6PS5Cl/NCM811 interface and suppressing electrolyte oxidation. The as-modified cathode exhibits an initial specific capacity of 192 mAh g−1 and retains 166 mAh g−1 after 140 cycles at 0.1C rate with a good capacity retention of 86.5%. Furthermore, the composite cathode displays high rate capability even at 1C rate. By contrast, the unmodified Li6PS5Cl/NCM811 cathode shows poor cycling performance with only 130 mAh g−1 remaining after 130 cycles. This work provides a new direction for the design of cathodes for all-solid-state batteries that can deliver high specific energy with long cycle life.
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