Microscopic Segregation Dominated Nano‐Interlayer Boosts 4.5 V Cyclability and Rate Performance for Sulfide‐Based All‐Solid‐State Lithium Batteries

材料科学 阴极 尖晶石 硫化物 介电谱 扫描透射电子显微镜 电化学 透射电子显微镜 电子能量损失谱 纳米技术 化学工程 扫描电子显微镜 复合材料 冶金 电极 物理化学 化学 工程类
作者
Wei He,Niaz Ahmad,Shaorui Sun,Xiao Zhang,Leguan Ran,Ruiwen Shao,Xuefeng Wang,Wen Yang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (3) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/aenm.202203703
摘要

Abstract To implement the growing requirement for higher energy density all‐solid‐state lithium batteries (ASSLBs), further increasing the working voltage of LiCoO 2 (LCO) is a key to breaking through the bottleneck. However, LiCoO 2 severe structural degradation and side reactions at the cathode interface obstruct the development of high‐voltage sulfide‐based ASSLBs (≥4.5 V). Herein, a nano‐metric Li 1.175 Nb 0.645 Ti 0.4 O 3 (LNTO) coated LCO cathode where microscopic Ti and Nb segregation at the interface during cycling potentially stabilizes the cathode lattice, and minimizes side reactions, simultaneously, is designed. Advanced transmission electron microscopy reveals that the stable spinel phase minimizes the micro stress at the cathode interface, avoids structure fragmentation, and hence significantly enhances the long‐term cyclic stability of LNTO@LCO @ 4.5 V. Moreover, the differential phase contrast scanning transmission electron microscopy (DPC‐STEM) visualizes the nano‐interlayer LNTO to boost Li + migration at the cathode interface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) reveals that sulfide‐based cells with the LNTO nano‐layer effectively reduce the interfacial resistance to 140 Ω compared to LiNbO 3 (235 Ω) over 100 cycles. Therefore, 4.5 V sulfide‐based ASSLBs offer gratifying long‐cycle stability (0.5 C for 1000 cycles, 88.6%), better specific capacity, and rate performance (179.8 mAh g –1 at 0.1 C, 97 mAh g –1 at 2 C).
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