The stabilized all-solid-state battery structure indicate a fundamental alternative to the development of next-generation energy storage devices. Existing liquid electrolyte structures severely limit battery stability, creating safety concerns due to the growth of Li dendrites during rapid charge/discharge cycles. In this study, a low-dimensional graphene quantum dot layer structure was applied to demonstrate stable operating characteristics based on Li+ ion conductivity and excellent electrochemical performance. Transmission electron microscopy analysis was performed to elucidate the microstructure at the interface. The low-dimensional structure of GQD-based solid electrolytes has provided an important strategy for stable scalable solid-state lithium battery applications at room temperature. This study indicates that the low-dimensional carbon structure of Li-GQDs can be an effective approach for the stabilization of solid-state Li matrix architectures.
Kwon, Oh Hyuk;Kim, Jong Heon;Park, Jun Seob;Kim, Hyun-Suk
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.35
no.2
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pp.194-198
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2022
All-solid-state thin-film battery can realize the integration of electronic circuits into small devices. However, a high voltage cathode material is required to compensate for the low energy density. Therefore, it is necessary to study all-solid-state thin-film battery based on the high voltage cathode material LNMO. Nevertheless, the electrochemical properties deteriorate due to the problem of the interface between LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) and the solid electrolyte LiPON. In this study, to solve this problem, amorphous V2O5 was deposited as an interlayer between LNMO and LiPON. We confirmed the possibility of improving cycle performance of LNMO based thin-film battery. We expect that the results of this study can extend the battery lifespan of small devices using LNMO based all-solid-state thin-film battery.
Park, Joonam;Jin, Dahee;Kim, Dohwan;Bae, Kyung Taek;Lee, Kang Taek;Lee, Yong Min
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.22
no.4
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pp.139-147
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2019
Lithium-ion battery (LiB) with high energy density and efficiency has been utilized for the electric vehicle (EV) and energy storage system (ESS) as well as portable devices. However, as explosion accidents have frequently happened till lately, all-solid-state lithium secondary battery (ALSB) began to get in a spotlight because it can secure a very high safety and energy density by substituting flammable organic liquid electrolyte to nonflammable inorganic solid electrolyte. In spite of ALSB's certain merits, it has shown much poorer performance of cells than one of LiB due to some challenges, which have been small or never dealt with in the LiB system. Hence, although plenty of studies made progress to solve them, an approach about design of all-solid-state electrode (ASSE) has been limited on account of difficulty of ALSB's experiments. That is why the virtual 3D structure of an all-solid-state electrode has to be built and used for the prediction of cell performance. In this study, we elucidate how to form the 3D ASSE structure and what to be needed for the simulation of characteristics on ALSB. Furthermore, the ultimate orientation of 3D modeling and simulation for the study of ALSB are briefly suggested.
Li-ion batteries have been gaining increasing importance, driven by the growing utilization of renewable energy and the expansion of electric vehicles. To meet market demands, it is essential to ensure high energy density and battery safety. All-solid-state batteries (ASSBs) have attracted significant attention as a potential solution. Among the advantages, they operate with an ion-conductive solid electrolyte instead of a liquid electrolyte therefore significantly reducing the risk of fire. In addition, by using high-capacity alternative electrode materials, ASSBs offer a promising opportunity to enhance energy density, making them highly desirable in the automotive and secondary battery industries. In ASSBs, Li metal can be used as the anode, providing a high theoretical capacity (3860 mAh/g). However, challenges related to the high interfacial resistance between Li metal and solid electrolytes and those concerning material degradation during charge-discharge cycles need to be addressed for the successful commercialization of ASSBs. This review introduces and discusses the interfacial reactions between Li metal and solid electrolytes, along with research cases aiming to improve these interactions. Additionally, future development directions in this field are explored.
Chen, Fei;Zhang, Gang;Zhang, Yiluo;Cao, Shiyu;Li, Jun
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.13
no.3
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pp.362-368
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2022
The application of polymer composite electrolyte in all-solid-state lithium-sulfur battery (ASSLSBs) can guarantee high energy density and improve the interface contact between electrolyte and electrode, which has a broader application prospect. However, the inherent insulation of the sulfur-cathode leads to a low electron/ion transfer rate. Carbon materials with high electronic conductivity and electrolyte materials with high ionic conductivity are usually selected to improve the electron/ion conduction of the composite cathode. In this work, PEO-LiTFSI-LLZO composite polymer electrolyte (CPE) with high ionic conductivity was prepared. The ionic conductivity was 1.16×10-4 and 7.26×10-4 S cm-1 at 20 and 60℃, respectively. Meanwhile, the composite sulfur cathode was prepared with Sulfur, reduced graphene oxide and composite polymer electrolyte slurry (S-rGO-CPEs). In addition to improving the ion conductivity in the cathode, CPEs also replaces the role of binder. The influence of different contents of CPEs in the cathode material on the performance of the constructed battery was investigated. The results show that the electrochemical performance of the all-solid-state lithium-sulfur battery is the best when the content of the composite electrolyte in the cathode is 40%. Under the condition of 0.2C and 45℃, the charging and discharging capacity of the first cycle is 923 mAh g-1, and the retention capacity is 653 mAh g-1 after 50 cycles.
The increasing demand for high-performance energy storage systems has highlighted the limitations of conventional Li-ion batteries (LIBs), particularly regarding safety and energy density. All-solid-state batteries (ASSBs) have emerged as a promising next-generation energy storage system, offering the potential to address these issues. By employing nonflammable solid electrolytes and utilizing high-capacity electrode materials, ASSBs have demonstrated improved safety and energy density. Automotive and energy storage industries, in particular, have recognized the significance of advancing ASSB technology. Although the use of Li metal as ASSB anode is promising due to its high theoretical capacity and the expectation that Li dendrites will not form in solid electrolytes, persistent problems with Li dendrite formation during cycling remain. Therefore, the exploration of novel high-performance anode materials for ASSBs is highly important. Recent research has focused extensively on alloy-based anodes for ASSBs, owing to their advantages of no dendrite formation and high-energy density. This study provides a comprehensive review of the latest advancements and challenges associated with alloy-based anodes for ASSBs.
All-solid-state batteries have received increasing attention because of their high safety aspect and high energy and power densities. However, the inferior solid-solid interfaces between solid electrolyte and active materials in electrode, which cause high interfacial resistance, reduce ion and electron transfer rate and limit battery performance. Recently, spark plasma sintering is emerging as a promising technique for fabricating solid electrolytes and composite-electrodes. Herein, this paper focuses on the overview of spark plasma sintering to fabricate solid electrolytes and composite-electrodes for all-solid-state batteries. In the end, future opportunities and challenges associated with SPS technique for all-solid-state batteries are described.
All-solid-state batteries are one of the promising candidates for next-generation batteries and are drawing attention as a key component that will lead the future electric vehicle industry. This study analyzes 10,280 comments on Reddit, which is a global social media, in order to identify policy issues and public interest related to all-solid-state batteries from 2016 to 2021. Text mining such as frequency analysis, association rule analysis, and topic modeling, and sentiment analysis are applied to the collected global data to grasp global trends, compare them with the South Korean government's all-solid-state battery development strategy, and suggest policy directions for its national research and development. As a result, the overall sentiment toward all-solid-state battery issues was positive with 50.5% positive and 39.5% negative comments. In addition, as a result of analyzing detailed emotions, it was found that the public had trust and expectation for all-solid-state batteries. However, feelings of concern about unresolved problems coexisted. This study has an academic and practical contribution in that it presented a text mining analysis method for deriving key issues related to all-solid-state batteries, and a more comprehensive trend analysis by employing both a top-down approach based on government policy analysis and a bottom-up approach that analyzes public perception.
In this study, we synthesized and characterized garnet-type Li7-xAlxLa3Zr2-(5/4)yNbyO12 (LALZN) solid electrolytes for all-solid-state battery applications. Our novel approach focused on enhancing ionic conductivity, which is crucial for battery efficiency. A systematic examination found that co-doping with Al and Nb significantly improved this conductivity. Al3+ and Nb5+ ions were incorporated at Li+ and Zr4+ sites, respectively. This doping resulted in LALZN electrolytes with optimized properties, most notably enhanced ionic conductivity. An optimized mixture with 0.25 mol each of Al and Nb dopants achieved a peak conductivity of 1.32 × 10-4 S cm-1. We fabricated symmetric cells using these electrolytes and observed excellent charge-discharge profiles and remarkable cycling longevity, demonstrating the potential for long-term application in battery systems. The garnet-type LALZN solid electrolytes, with their high ionic conductivity and stability, show great potential for enhancing the performance of all-solid-state batteries. This study not only advances the understanding of effective doping strategies but also underscores the practical applicability of the LALZN system in modern energy storage solutions.
Kim, Jong Heon;Xiao, Cheng-Fan;Go, Kwangmo;Lee, Kyung Jin;Kim, Hyun-Suk
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.32
no.6
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pp.437-443
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2019
All-solid-state thin-film lithium-ion batteries are important in the development of next-generation energy storage devices with high energy density. However, thin-film batteries have many challenges in their manufacturing procedure. This is because there are many factors, such as substrate selection, to consider when producing the thin film multilayer structure. In this study, we compare the fabrication and performance of all-solid-state thin-film lithium-ion batteries with a $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ cathode/LiPON solid electrolyte/$Li_4Ti_5O_{12}$ anode structure using stainless steel and Si substrates with different surface roughness. We demonstrate that the smoother the surface of the substrate, the thinner the thickness of the all-solid-state thin-film lithium-ion battery that can be made, and as a result, the corresponding electrochemical characteristics can be improved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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