Chemo-Mechanical Behavior and Stability of High-Loading Cathodes in Solid-State Batteries

材料科学 阴极 固态 纳米技术 理论(学习稳定性) 复合材料 化学工程 工程物理 化学 物理化学 计算机科学 工程类 机器学习
作者
Se Hwan Park,Kaustubh G. Naik,Bairav S. Vishnugopi,Xianghui Xiao,Michael Drakopoulos,Nghia T. Vo,Zhong Zhong,Partha P. Mukherjee,Kelsey B. Hatzell
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c04431
摘要

Solid-state batteries can offer higher energy density and improved safety compared to lithium ion batteries, which use flammable liquid electrolytes. Increasing the ratio of cathode active materials in composite cathodes enhances the energy density and reduces manufacturing costs. Changes in the ratio of cathode active materials alter the microstructure and chemo-mechanical response of a cathode during operation. Understanding the relationship between composition, microstructure, and chemo-mechanical interactions is critical for optimizing solid-state cathodes. In this study, we engineered composite cathodes with varying ratios of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 and Li6PS5Cl to systematically investigate the role of microstructural evolution in long-term chemo-mechanical transformations. Chemo-mechanical stresses resulting from the volume changes of the cathode active materials led to degradation mechanisms, such as fracture and interfacial delamination. Active material fracture and delamination led to underutilization of active material and significant capacity decay during cycling. Coatings that suppress active material-active material interactions during cycling may aid in suppressing the generation of local stress hotspots.
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