Novel coatings for cathode materials of all-solid-state batteries

Abstract

An all-solid-state lithium ion battery is a candidate for a next-generation battery, due to it’s theoretically high energy density and good cycle performance. To increase cycle stability, undesirable side reactions at the interface between the electrolyte and the high-energy cathode are suppressed with the aid of a buffer layer. For this purpose, LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC532) powder was combined with Li2O - ZrO2 (LZO) as a reference as well as with a novel compound Li2O - Ga2O3 (LGO) using a sol-gel method in conjunction with ultrasonic irradiation. The coatings were tested in coin cells with liquid electrolyte as well as in full cells using lithium phosphorus sulphur chloride (Li6PS5Cl) as solid electrolyte. In this way, the performance of lithium-ion batteries with liquid electrolyte could be significantly increased by LGO and LZO coating, which is reflected in an increase in the coulombic efficiency. The electrochemical performance of a solid-state battery could only be increased with an LZO coating. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit Festelektrolyt ist aufgrund ihrer theoretisch hohen Energiedichte und guten Zyklisierbarkeit ein Kandidat fur eine Batterie der nächsten Generation. Um die Zyklenstabilit¨at zu erh¨ohen, werden unerwunschte Nebenreaktionen an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der Hochenergiekathode mit Hilfe einer Pufferschicht unterdruckt. Zu diesem Zweck wurde LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC532) Pulver mit Li2O - ZrO2 (LZO) als Referenz, sowie mit einer neuartigen Verbindung Li2O - Ga2O3 (LGO) durch ein Sol-Gel-Verfahren im Zusammenhang mit Ultraschallbestrahlung kombiniert. Die Beschichtungen wurden sowohl in Knopfzellen mit flussigem Elektrolyt als auch in Vollzellen mit Lithium-Phosphor-Schwefelchlorid (Li6PS5Cl) als Festelektrolyt getestet. Auf diese Weise konnte die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien mit flussigem Elektrolyt durch eine LGO- und LZO-Beschichtung deutlich gesteigert werden, was sich in einer Erhöhung des coulombschen Wirkungsgrads widerspiegelt. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit einer Festkörperbatterie konnte nur mit einer LZO-Beschichtung gesteigert werden