Multifunctional ion-conductive polymer coatings for high-performance sulfide solid-state batteries with Ni-rich cathodes

材料科学 硫化物 阴极 导电体 聚合物 固态 导电聚合物 离子 纳米技术 化学工程 冶金 工程物理 复合材料 化学 电气工程 工程类 有机化学
作者
Pranav Karanth,Jelle H Prins,Ajay Gautam,Zhu Cheng,Jef Canals-Riclot,Swapna Ganapathy,Pierfrancesco Ombrini,Alix Ladam,Sébastien Fantini,Marnix Wagemaker,Fokko M. Mulder
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d5ta01827g
摘要

Sulfide-based solid-state batteries (SSBs) are emerging as a top contender for next-generation rechargeable batteries with improved safety and higher energy densities. However, SSBs with Ni-rich cathode materials such as LiNi0.82Mn0.07Co0.11O2 (NMC82) exhibit several chemomechanical challenges at the cathode-electrolyte interface, such as contact loss and solid-electrolyte decomposition, resulting in poor interfacial Li+ ion transport. To overcome these challenges, we used polymerized ionic liquids (PIL) as coatings at the NMC82 cathode surface, with and without incorporating a lithium salt. The thin Li+ ion-conductive Li-PIL nanocoating shows excellent compatibility with sulfide solid electrolytes and enables efficient Li+ transfer over the cathode-solid electrolyte interface, as demonstrated by 2D solid-state exchange NMR. It also improves contact retention between the cathode-solid electrolyte particles and mitigates electrolyte oxidation-induced degradation. This is reflected in the electrochemical performance of coated NMC82 in sulfide SSBs, where both a higher rate performance (190 mA h g-1 vs. 163 mA h g-1 for uncoated at 0.1C) and a remarkable capacity retention of 82.7% after 500 cycles at 0.2C and ambient conditions (20 °C) are observed. These results emphasize the effectiveness of PILs with Li salts as multifunctional coatings that enable high-performance sulfide-based SSBs with Ni-rich cathode materials at ambient temperature.
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