Synergistic halide-sulfide hybrid solid electrolytes for Ni-rich cathodes design guided by digital twin for all-solid-State Li batteries

材料科学 卤化物 阴极 硫化物 电解质 电极 法拉第效率 化学工程 烧结 碳纤维 涂层 氧化物 无机化学 纳米技术 复合材料 化学 物理化学 冶金 工程类 复合数
作者
Jong Seok Kim,Seungwon Jung,Hiram Kwak,Yoonjae Han,Suhwan Kim,Jongwoo Lim,Yong Min Lee,Yoon Seok Jung
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:55: 193-204 被引量:69
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.11.038
摘要

Halide solid electrolytes are a promising candidate for all-solid-state Li batteries (ASLBs) owing to their mechanical sintering ability and excellent (electro)chemical oxidation stability. However, these advantages are counteracted by the lower Li+ conductivities and higher specific densities compared with those of sulfides. Herein, a novel halide-sulfide hybrid catholyte design for Ni-rich layered oxide cathodes for ASLBs is reported. In a hybrid catholyte, Li3YCl6 (0.40 mS cm−1) coatings protect the surface of Li[Ni0.88Co0.11Al0.01]O2 while Li6PS5Cl (1.80 mS cm−1) serves as a Li+ highway. Li[Ni0.88Co0.11Al0.01]O2 cathodes with an optimal fraction of Li3YCl6, 10 wt% with respect to Li [Ni0.88Co0.11Al0.01]O2, substantially outperform electrodes using either Li6PS5Cl or Li3YCl6 in terms of capacity (202 vs. 171 or 191 mA h g−1 at 0.1C, respectively), initial Coulombic efficiency, rate capability, and cycling performance. The superiority of Li3YCl6 for interfacial stability in the Li3YCl6-coated electrode to the electrode without Li3YCl6 is confirmed by complementary analysis. Moreover, the digital twin model is successfully established and reveals electrically isolated Li[Ni0.88Co0.11Al0.01]O2 particles when 14 wt% Li3YCl6 is used. This insight leads to the development of a mixed conductor coating consisting of Li3YCl6 and carbon, further enhancing the performance: e.g., 134 vs. 53 mA h g−1 at 2C.
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