DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01634-3
تاريخ النشر: 2024-09-18
المؤلف: Sebastian Puls وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في مواد البطاريات
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة قابلية المقارنة والتكرار بين المختبرات لأداء الدورات في البطاريات الصلبة بالكامل (ASSBs) باستخدام مواد مصدرها تجاريًا: LiNi₀.₆Mn₀.₂Co₀.₂O₂ للقطب الموجب، Li₆PS₅Cl كإلكتروليت صلب، والإنديوم للقطب السالب. تم تكليف واحد وعشرين مجموعة بحثية بتجميع ودورة خلايا ASSB تحت بروتوكول كيميائي كهربائي محدد مع استخدام طرق التجميع الخاصة بهم. تكشف النتائج عن تباين كبير في سلوك الدورة، حيث تتراوح سعات التفريغ الأولية من 23.7 mAh g⁻¹ إلى 143.1 mAh g⁻¹، مما يبرز محدودية قابلية مقارنة البيانات عبر إعدادات مختلفة. تؤكد الدراسة على ضرورة الإبلاغ القياسي عن معلمات المعالجة وتوصي بأن يتم تقديم بيانات الدورة كمتوسطات مع نطاقات خطأ من قياسات ثلاثية لتعزيز القابلية للتكرار.
تشير النتائج إلى أن الاختلافات في تقنيات التجميع، مثل أوقات وضغوط الضغط، تؤثر بشكل كبير على شكل القطب وأداء الخلية بشكل عام. ترتبط ضغوط الكومة الأعلى (> 40 MPa) بتحسين أداء الدورة مقارنة بالضغوط المنخفضة (0-10 MPa). كما تلاحظ الدراسة معدل فشل بنسبة 43% في تجميع الخلايا، مما يبرز التحديات التي تواجه تحقيق نتائج قابلة للتكرار. تدعو إلى مزيد من البحث لتوحيد بروتوكولات الاختبار وتحسين قابلية مقارنة بيانات أداء ASSB، خاصة مع انتقال المجال نحو تطبيقات خلايا الكيس. يدعو المؤلفون إلى جهد جماعي داخل مجتمع البحث لوضع معايير وممارسات توحيد لتسهيل تقدم تكنولوجيا ASSB.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة Li6PS5Cl (LPSCl) كإلكتروليت صلب، وLiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC 622) أحادي البلورة كمادة نشطة كهربائيًا موجبة، ورقائق الإنديوم للقطب السالب. تم الحصول على LPSCl من MSE Supplies بحجم جزيئات يبلغ حوالي 1 ميكرومتر، بينما تم تجفيف NMC 622 عند 150 درجة مئوية لمدة 24 ساعة تحت فراغ قبل التوزيع. تم تجفيف رقائق الإنديوم، التي تم الحصول عليها أيضًا من MSE Supplies، عند 40 درجة مئوية لمدة 24 ساعة تحت فراغ وتم إعدادها لتشكيل القطب السالب In/(InLi)x سبيكة.
تلقى كل مجموعة مشاركة حزمة موحدة تحتوي على 250 ملغ من LPSCl، و100 ملغ من NMC 622، وثلاث قطع من رقائق الإنديوم (بأقطار 12 مم و16 مم لمجموعة واحدة)، جميعها مغلفة تحت جو خامل من الأرجون لتقليل التلوث (O2 < 1.0 ppm وH2O < 0.5 ppm). من الجدير بالذكر أنه لم يتم تضمين معدن الليثيوم في الحزم، حيث تم توجيه كل مجموعة للحصول على معدن الليثيوم الخاص بها للتجارب.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التعقيدات والتباينات في تجميع وأداء البطاريات الصلبة بالكامل (ASSBs). تتضمن عملية التجميع خطوات ضغط متعددة، مع تباين كبير في الضغوط المطبقة ومددها عبر مجموعات البحث المختلفة. بينما يتراوح الضغط المتوسط للدورة عادةً من 10-70 MPa، يمكن أن تتراوح الضغوط المستخدمة لضغط القطب المركب الموجب من 250-520 MPa. هذا التباين مهم لأنه يؤثر على الموصلية الأيونية للإلكتروليتات الصلبة، وخاصة تلك القائمة على الثيوفوسفات، التي تتطلب ضغوطًا عالية وأوقات ضغط ممتدة لتحقيق أداء مثالي. على الرغم من هذه الاختلافات، يبقى سمك الخلايا المجمعة ثابتًا، مما يشير إلى أن بروتوكول المعالجة يؤثر بشكل كبير على الميكروهيكل وبالتالي على الأداء الكهربائي الكيميائي.
تقرير الدراسة أيضًا عن قابلية التكرار بين المختبرات لأداء ASSB، حيث قامت 21 مجموعة بتجميع خلايا باستخدام مواد موحدة. كشفت قياسات الجهد المفتوح الأولي (OCV) عن مجموعة من القيم، بمتوسط 2.6 ± 0.1 فولت مقابل الليثيوم، وهو أقل من ذلك في بطاريات أيون الليثيوم التقليدية. أظهر أداء الدورة تباينًا كبيرًا، حيث تراوحت سعات التفريغ المحددة من 21 إلى 143 mAh g⁻¹ عند 0.1 C، واحتفاظ متوسط السعة بنسبة 91.6% بعد 50 دورة. تشير التحليلات إلى أنه بينما تتأثر السعات الأولية بعملية التجميع، فإن أداء الدورة المستقر يعتمد بشكل كبير على الضغوط المناسبة للدورة. تؤكد النتائج على التحديات في تحقيق قابلية المقارنة بين المختبرات في أداء ASSB بسبب ظروف المعالجة المتنوعة وممارسات التعامل مع المواد التي تستخدمها مجموعات البحث المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01634-3
Publication Date: 2024-09-18
Author(s): Sebastian Puls et al.
Primary Topic: Advancements in Battery Materials
Overview
This study investigates the interlaboratory comparability and reproducibility of cycling performance in all-solid-state batteries (ASSBs) using commercially sourced materials: LiNi₀.₆Mn₀.₂Co₀.₂O₂ for the positive electrode, Li₆PS₅Cl as the solid electrolyte, and indium for the negative electrode. Twenty-one research groups were tasked with assembling and cycling ASSB cells under a defined electrochemical protocol while employing their own assembly methods. The findings reveal significant variability in cycling behavior, with initial discharge capacities ranging from 23.7 mAh g⁻¹ to 143.1 mAh g⁻¹, highlighting the limited comparability of data across different setups. The study emphasizes the necessity for standardized reporting of processing parameters and recommends that cycling data should be presented as averages with error ranges from triplicate measurements to enhance reproducibility.
The results indicate that variations in assembly techniques, such as compression times and pressures, significantly affect electrode morphology and overall cell performance. Higher stack pressures (> 40 MPa) correlate with improved cycling performance compared to lower pressures (0-10 MPa). The study also notes a 43% failure rate in cell assembly, underscoring the challenges faced in achieving reproducible results. It calls for further research to standardize testing protocols and improve the comparability of ASSB performance data, particularly as the field moves towards pouch cell applications. The authors advocate for a collective effort within the research community to establish benchmarks and standardization practices to facilitate the advancement of ASSB technology.
Methods
In this study, the materials utilized included Li6PS5Cl (LPSCl) solid electrolyte, single crystalline LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC 622) as the positive electroactive material, and indium foil for the negative electrode. The LPSCl was sourced from MSE Supplies with a particle size of approximately 1 µm, while the NMC 622 was dried at 150 °C for 24 hours under vacuum prior to distribution. Indium foil, also obtained from MSE Supplies, was dried at 40 °C for 24 hours under vacuum and prepared to form the In/(InLi)x alloy negative electrode.
Each participating group received a standardized package containing 250 mg of LPSCl, 100 mg of NMC 622, and three pieces of indium foil (with diameters of 12 mm and 16 mm for one group), all packed under an inert argon atmosphere to minimize contamination (O2 < 1.0 ppm and H2O < 0.5 ppm). Notably, lithium metal was not included in the packages, as each group was instructed to source their own lithium metal for the experiments.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the complexities and variabilities in the assembly and performance of all-solid-state batteries (ASSBs). The assembly process involves multiple compression steps, with significant variability in applied pressures and durations across different research groups. While the average cycling pressure typically ranges from 10-70 MPa, the pressures used for compressing the positive composite electrode can vary from 250-520 MPa. This variability is crucial as it affects the ionic conductivity of the solid electrolytes, particularly thiophosphate-based ones, which require high pressures and extended compression times for optimal performance. Despite these differences, the thickness of the assembled cells remains consistent, indicating that the processing protocol significantly influences the microstructure and, consequently, the electrochemical performance.
The study also reports on the interlaboratory reproducibility of ASSB performance, with 21 groups assembling cells using standardized materials. The initial open circuit voltage (OCV) measurements revealed a range of values, with an average of 2.6 ± 0.1 V vs. Li, which is lower than that of conventional lithium-ion batteries. The cycling performance exhibited substantial variability, with specific discharge capacities ranging from 21 to 143 mAh g⁻¹ at 0.1 C, and a median capacity retention of 91.6% after 50 cycles. The analysis suggests that while initial capacities are influenced by the assembly process, stable cycling performance is highly dependent on adequate cycling pressures. The findings underscore the challenges in achieving interlaboratory comparability in ASSB performance due to the diverse processing conditions and material handling practices employed by different research groups.