Seul Ki Choi;Jaehun Han;Gi Jeong Kim;Yeon Hee Kim;Jaewon Choi;MinHo Yang
Journal of Powder Materials
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v.31
no.4
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pp.293-301
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2024
All-solid-state lithium batteries (ASSLBs) are receiving attention as a prospective next-generation secondary battery technology that can reduce the risk of commercial lithium-ion batteries by replacing flammable organic liquid electrolytes with non-flammable solid electrolytes. The practical application of ASSLBs requires developing robust solid electrolytes that possess ionic conductivity at room temperature on a par with that of organic liquids. These solid electrolytes must also be thermally and chemically stable, as well as compatible with electrode materials. Inorganic solid electrolytes, including oxide and sulfide-based compounds, are being studied as promising future candidates for ASSLBs due to their higher ionic conductivity and thermal stability than polymer electrolytes. Here, we present the challenges currently facing the development of oxide and sulfide-based solid electrolytes, as well as the research efforts underway aiming to resolve these challenges.
The electrochemical performance of all-solid-state cells (ASSCs) based on sulfide electrolytes is critically affected by the undesirable interfacial reactions between oxide cathodes and sulfide electrolytes because of the high reactivity of sulfide electrolytes. Based on the concept that the interfacial reactions are highly dependent on the type of sulfide electrolyte, the electrochemical properties of the ASSCs prepared using three types of sulfide electrolytes were observed and compared. The Li2MoO4-LiI coating layer was also introduced to suppress the interfacial reactions. The cells using argyrodite electrolyte exhibited a higher capacity and Coulombic efficiency than the cells using 75Li2S-22P2S5-3Li2SO4 and Li7P3S11 electrolytes, indicating that the argyrodite electrolyte is less reactive with cathodes than other electrolytes. Moreover, the introduction of Li2MoO4-LiI coating on the cathode surface significantly enhanced the electrochemical performance of ASSCs because of the protection of coating layer. Pulverization of argyrodite electrolyte is also effective in increasing the capacity of cells because the smaller size of electrolyte particles improved the contact stability between the cathode and the sulfide electrolyte. The cyclic performance of cells was also enhanced by pulverized electrolyte, which is also associated with improved contact stability at the cathode/electrolyte. These results show that the introduction of Li2MoO4-LiI coating and the use of pulverized sulfide electrolyte can exhibit a synergic effect of suppressed interfacial reaction by the coating layer and improved contact stability owing to the small particle size of electrolyte.
Since the electrification of vehicles has been extended, solid-state batteries have been attracting a lot of interest because of their superior safety. Especially, polymer, sulfide, and oxide based materials are being studied as solid electrolytes, and each type of materials has advantaged and disadvantages over others. Oxide electrolytes has higher chemical and electrochemical stability compared to the other types of electrolytes. However, ionic conductivity isn't high enough as much as that of organic liquid electrolytes. Also, there are many difficulties of fabricating solid-state batteries with oxide based electrolytes because they require a sintering process at very high temperature (above ${\sim}800^{\circ}C$). Herein, we review recent studies of solid-state batteries with oxide based electrolytes about the ionic conductivity, interfacial reactions with Li metal, and preparation of solid-state cell.
In this study, a $Li_2ZrO_3$ coated $Li[Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}]O_2$ (NCA) cathode was applied to an all-solid-state cell employing a sulfide-based solid electrolyte. Sulfide-based solid electrolytes are preferable for all-solid-state cells because of their high ionic conductivity and good softness and elasticity. However, sulfides are very reactive with oxide cathodes, and this reduces the stability of the cathode/electrolyte interface of all-solid-state cells. $Li_2ZrO_3$ is expected to be a suitable coating material for the cathode because it can suppress the undesirable reactions at the cathode/sulfide electrolyte interface because of its good stability and high ionic conductivity. Cells employing $Li_2ZrO_3$ coated NCA showed superior capacity to those employing pristine NCA. Analysis by X-ray photoelectron spectroscopy and electron energy loss spectroscopy confirmed that the $Li_2ZrO_3$ coating layer suppresses the propagation of S and P into the cathode and the reaction between the cathode and the sulfide solid electrolyte. These results show that $Li_2ZrO_3$ coating is promising for reducing undesirable side reactions at the cathode/electrolyte interface of all-solid-state-cells.
The development of non-flammable all-solid-state batteries (ASSLBs) has become a hot topic due to the known drawbacks of commercial lithium-ion batteries. As the possibility of applying sulfide solid electrolytes (SSEs) for electric vehicle batteries increases, efforts for the low-cost mass-production are actively underway. Until now, most studies have used high-energy mechanical milling, which is easy to control composition and impurities and can reduce the process time. Through this, various SSEs that exceed the Li+ conductivity of liquid electrolytes have been reported, and expectations for the realization of ASSLBs are growing. However, the high-energy mechanical milling method has disadvantages in obtaining the same physical properties when mass-produced, and in controlling the particle size or shape, so that physical properties deteriorate during the full process. On the other hand, wet chemical synthesis technology, which has advantages in mass production and low price, is still in the initial exploration stage. In this technology, SSEs are mainly manufactured through producing a particle-type, solution-type, or mixed-type precursor, but a clear understanding of the reaction mechanism hasn't been made yet. In this review, wet chemical synthesis technologies for SSEs are summarized regarding the reaction mechanism between the raw materials in the solvent.
Surface coating of cathodes is an essential process for all-solid-state batteries (ASSBs) based on sulfide electrolytes as it efficiently suppresses interfacial reactions between oxide cathodes and sulfide electrolytes. Based on computational calculations, Li3PO4 has been suggested as a promising coating material because of its higher stability with sulfides and its optimal ionic conductivity. However, it has hardly been applied to the coating of ASSBs due to the absence of a suitable coating process, including the selection of source material that is compatible with ASSBs. In this study, polyphosphoric acid (PPA) and (NH4)2HPO4 were used as source materials for preparing a Li3PO4 coating for ASSBs, and the properties of the coating layer and coated cathodes were compared. The Li3PO4 layer fabricated using the (NH4)2HPO4 source was rough and inhomogeneous, which is not suitable for the protection of the cathodes. Moreover, the water-based coating solution with the (NH4)2HPO4 source can deteriorate the electrochemical performance of high-Ni cathodes that are vulnerable to water. In contrast, when an alcohol-based solvent was used, the PPA source enabled the formation of a thin and homogeneous coating layer on the cathode surface. As a consequence, the ASSBs containing the Li3PO4-coated cathode prepared by the PPA source exhibited significantly enhanced discharge and rate capabilities compared to ASSBs containing a pristine cathode or Li3PO4-coated cathode prepared by the (NH4)2HPO4 source.
Ann, Jiu;Choi, Sunho;Do, Jiyae;Lim, Seungwoo;Shin, Dongwook
Journal of Ceramic Processing Research
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v.19
no.5
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pp.413-418
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2018
All-solid-state lithium batteries (ASSBs) using inorganic sulfide-based solid electrolytes are considered prospective alternatives to existing liquid electrolyte-based batteries owing to benefits such as non-flammability. However, it is difficult to form a favorable solid-solid interface among electrode constituents because all the constituents are solid particles. It is important to form an effective electron conduction network in composite cathode while increasing utilization of active materials and not blocking the lithium ion path, resulting in excellent cell performance. In this study, a mixture of fibrous VGCF and spherical nano-sized Super P was used to improve rate performance by fabricating valid conduction paths in composite cathodes. Then, composite cathodes of ASSBs containing 70% and 80% active materials ($LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$) were prepared by a solution-based process to achieve uniform dispersion of the electrode components in the slurry. We investigated the influence of binary carbon additives in the cathode of all-solid-state batteries to improve rate performance by constructing an effective electron conduction network.
Jeong Min Lee;Dong Seok Cheong;Sung Hyun Kang;Tirtha Raj Acharya;Eun Ha Choi;Weon Ho Shin
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.37
no.4
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pp.445-450
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2024
The expansion of lithium-ion battery usage beyond portable electronic devices to electric vehicles and energy storage systems is driven by their high energy density and favorable cycle characteristics. Enhancing the stability and performance of these batteries involves exploring solid electrolytes as alternatives to liquid ones. While sulfide-based solid electrolytes have received significant attention for commercialization, research on amorphous-phase glass solid electrolytes in oxide-based systems remains limited. Here, we investigate the glass transition temperatures and sintering behaviors by changing the molecular ratio of Li2O/B2O3 in borate glass comprising Li2O-B2O3-Al2O3 system. The glass transition temperature is decreasing as increasing the amount of Li2O. When we sintered at 450℃, just above the glass transition temperature, the samples did not consolidate well, while the proper sintered samples could be obtained under the higher temperature. We successfully obtained the borate glass ceramics phases by melt-quenching method, and the sintering characteristics are investigated. Future studies could explore optimizing ion conductivity through refining processing conditions, adjusting the glass former-to-modifier ratio, and incorporating additional Li salt to enhance the ionic conductivity.
There is ongoing research to develop lithium ion batteries as sustainable energy sources. Because of safety problems, solid state batteries, where electrolytes are replaced with solids, are attracting attention. Sulfide electrolytes, with a high ion conductivity of 10-3 S/cm or more, have the highest potential performance, but the price of the main materials is high. This study investigated lithium hydride materials, which offer economic advantages and low density. To analyze the change in ion conductivity in polymer electrolyte composites, PVDF, a representative polymer substance was used at a certain mass ratio. XRD, SEM, and BET were performed for metallurgical analyses of the materials, and ion conductivity was calculated through the EIS method. In addition, thermal conductivity was measured to analyze thermal stability, which is a major parameter of lithium ion batteries. As a result, the ion conductivity of LiH was found to be 10-6 S/cm, and the ion conductivity further decreased as the PVDF ratio increased when the composite was formed.
A lithium-ion battery exhibits high energy density but has many limitations due to safety issues. Currently, as a solution for this, research on solid state batteries is attracting attention and is actively being conducted. Among the solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes are receiving much attention with high ion conductivity, but there is a limit to commercialization due to the relatively high price of lithium sulfide, which is a precursor material. This study focused on the possibility of relatively inexpensive and light lithium hydride and conducted an experiment on it. In order to analyze the characteristics of LiAlH4, ion conductivity and thermal stability were measured, and a composites mixed with PVDF, a representative polymer electrolyte, was synthesized to confirm a change in characteristics. And metallurgical changes in the material were performed through XRD, SEM, and BET analysis, and ion conductivity and thermal stability were measured by EIS and LFA methods. As a result, Li3AlH6 having ion conductivity higher than LiAlH4 is formed by the synthesis of composite materials, and thus ion conductivity is slightly improved, but thermal stability is rapidly degraded due to structural irregularity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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