Bimodal Composite Cathodes Advancing the Chemo-Mechanical Integrity and Kinetics for All-Solid-State Batteries

材料科学 复合数 动力学 阴极 电极 电化学 微晶 电解质 硫化物 电池(电) 粒子(生态学) 压力(语言学) 化学工程 电化学动力学 结构稳定性 粒径 复合材料 纳米技术 应力松弛 比能量 快离子导体 纳米颗粒 超级电容器 储能 离子键合 纳米复合材料 容量损失
作者
Hyeonseong Oh,Uigyeong Jeong,J. G. Choi,Jaejin Lim,Jun Tae Kim,Hyeon‐Ji Shin,Jong-yeon Im,Hyun-Woo Gong,Jae-Pyoung Ahn,Yong Min Lee,Jongsoon Kim,Junyoung Mun,Kyung Yoon Chung,Si Hyoung Oh,Jong-Won Lee,Sang-Young Lee,Hun-Gi Jung
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (2): 2103-2114
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.5c03923
摘要

All-solid-state batteries employing sulfide solid electrolytes promise high energy density and safety but suffer from poor cycling stability and rate performance due to fundamental shortcomings in composite electrode architectures. To address challenges, this study introduces bimodal composite cathodes formed by blending large polycrystalline and small single-crystalline cathode active materials (CAMs). This bimodal configuration optimizes particle packing and porosity, thereby reducing ionic tortuosity and enhancing Li+ transport. At an extreme CAM loading of 90 wt%, a bimodal composition with a 7:3 mass ratio of polycrystalline to single-crystalline CAM exhibited enhanced rate performance and 87.8% capacity retention after 200 cycles, outperforming unimodal composite cathodes. Distribution-of-relaxation-times analysis, operando X-ray diffraction, operando electrochemical pressiometry, and three-dimensional simulations revealed that the enhanced mechanical performance of densely packed electrode structures originates not from stress relaxation but from uniform stress dispersion. These findings establish a comprehensive framework for advancing the design and optimization of complex composite cathodes.
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