Toward Achieving High Areal Capacity in Silicon-Based Solid-State Battery Anodes: What Influences the Rate-Performance?

微观结构 材料科学 阳极 电解质 复合数 电极 电池(电) 极化(电化学) 复合材料 集电器 纳米技术 光电子学 化学工程 化学 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学 工程类
作者
Moumita Rana,Yannik Rudel,P.M. Heuer,Eva Schlautmann,Carolin Rosenbach,Md Yusuf Ali,Hartmut Wiggers,Anja Bielefeld,Wolfgang G. Zeier
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:8 (7): 3196-3203 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.3c00722
摘要

Achieving high areal capacity and rate performance in solid-state battery electrodes is challenging due to sluggish charge carrier transport through thick all-solid composite electrodes, as the transport strongly relies on the microstructure and porosity of the compressed composite. Introducing a high-capacity material like silicon for such a purpose would require fast ionic and electronic transport throughout the electrode. In this work, by designing a composite electrode containing Si nanoparticles, a superionic solid electrolyte (SE), and a carbon additive, the possibility of achieving areal capacities over 10 mAh·cm–2 and 4 mAh·cm–2 at current densities of 1.6 mA·cm–2 and 8 mA·cm–2, respectively, at room temperature is demonstrated. Using DC polarization measurements, impedance spectroscopy, microscopic analyses, and microstructure modeling, we establish that the route to achieve high-performance anode composites is microstructure modulation through attaining high silicon/solid electrolyte interface contacts, particle size compatibility of the composite components, and their well-distributed compact packing in the compressed electrode.
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