All-solid-state lithium batteries with NMC955 cathodes: PVDF-free formulation with SBR and capacity recovery insights

锂(药物) 阴极 固态 材料科学 工艺工程 电气工程 工程类 工程物理 医学 内分泌学
作者
Beatriz M. Gomes,Manuela C. Baptista,Ander Orue,Bhattacharjya Dhrubajyoti,S. Terlicka,Peter Sjövall,Nico Zamperlin,Carlos Fonseca,Jasmin Smajic,Ville Kekkonen,Willar Vonk,Artur Tron,Andy Schena,Anwar Ahniyaz,Maria Helena Braga
出处
期刊:Energy materials [OAE Publishing Inc.]
卷期号:5 (8) 被引量:2
标识
DOI:10.20517/energymater.2024.297
摘要

The nickel-rich NMC955 (LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2) cathode, with minimal cobalt, is the zenith of LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) technology but faces structural and thermal stability challenges, losing an average of 15% of its capacity in the first discharge. Here, by selecting appropriate materials and synthesis methods in an all-solid-state battery cell, this challenge is effectively mitigated. A sustainable fabrication of the LiNMC955 positive electrode, excluding poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and using styrene-butadiene rubber, demonstrates high retention in all-solid-state cells, without additional interlayers or pressure, at room temperature. To prevent oxygen release, spurious phase formation, and magnetic frustration, simulations determined optimal cycling thresholds and curve morphologies for a Li0/Li6PS5Cl/NMC955 cell by “following the electrons”. This optimized routine ensures prolonged cycle life and performance demonstrated by sheet resistance/Hall effect, Scanning Electron Microscopy/Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM/EDX), Atomic Force Microscopy/Scanning Kelvin Probe Microscopy, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman, calorimetry, and electrochemical analyses. The tailored preparation method and cycling regimen enabled the fabrication of a high-performance cathode, achieving capacities exceeding 110-120 mAh.g-1 at C discharging C-rate, after 200 cycles, with a self-recovering component shifting performance to theoretical capacities (192 mAh.g-1), emphasizing the cathode's pivotal role in all-solid-state performance.

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