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.
This review will discuss the effort to understand the interfacial reactions at the anode and cathode sides of all-solid-state batteries. Antiperovskite solid electrolytes have received increasing attention due to their low melting points and anion tunability which allow controlling microstructure and crystallographic structures of this material system. Antiperovskite solid electrolytes pave the way for the understanding relationship between critical current density and mechanical properties of solid electrolytes. Microstructure engineering of cathode materials has been introduced to mitigate the volume change of cathode materials in solid-state batteries. The hollow microstructure coupled with a robust outer oxide layer effectively mitigates both volume change and stress level of cathode materials induced by lithium insertion and extraction, thus improving the structural stability of the cathode and outer oxide layer, which results in stable cycling performance of all-solid-state batteries.
The development of all-solid-state batteries (ASSBs) has been gaining attention in recent years due to their potential to offer higher energy densities, improved safety, and longer cycle life compared to conventional lithium-ion batteries. However, several challenges must be addressed to achieve the practical application of ASSBs, such as the development of high-performance solid-state electrolytes, stable electrode-electrolyte interfaces, and cost-effective manufacturing processes. In this review paper, we present an overview of the current state of ASSB research, including recent progress in solid-state electrolyte and cathode/anode materials, and cell architecture. We also summarize the recent advancements and highlight the remaining challenges in ASSB research, with an outlook on the future of this promising technology.
Lithium-sulfur batteries (LSBs) have emerged as a promising alternative to lithium-ion batteries (LIBs) owing to their high energy density and economic viability. In addition, all-solid-state LSBs, which use solid-state electrolytes, have been proposed to overcome the polysulfide shuttle effect while improving safety. However, the high interfacial resistance and poor ionic conductivity exhibited by the electrode and solid-state electrolytes, respectively, are significant challenges in the development of these LSBs. Herein, we apply a poly (ethylene oxide) (PEO)-based composite solid-state electrolyte with oxide Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid-state electrolyte in an all-solid-state LSB to overcome these challenges. We use an electrochemical method to evaluate the degradation of the all-solid-state LSB in accordance with the carbon content and loading weight within the cathode. The all-solid-state LSB, with sulfur-carbon content in a ratio of 3:3, exhibited a high initial discharge capacity (1386 mAh g-1), poor C-rate performance, and capacity retention of less than 50%. The all-solid-state LSB with a high loading weight exhibited a poor overall electrochemical performance. The factors influencing the electrochemical performance degradation were revealed through systematic analysis.
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.
Kim, Ju Young;Kim, Jumi;Kang, Seok Hun;Shin, Dong Ok;Lee, Myeong Ju;Oh, Jimin;Lee, Young-Gi;Kim, Kwang Man
ETRI Journal
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v.42
no.1
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pp.129-137
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2020
All-solid-state batteries are promising energy storage devices in which high-energy-density and superior safety can be obtained by efficient cell design and the use of nonflammable solid electrolytes, respectively. This paper presents a systematic study of experimental factors that affect the electrochemical performance of all-solid-state batteries. The morphological changes in composite electrodes fabricated using different mixing speeds are carefully observed, and the corresponding electrochemical performances are evaluated in symmetric cell and half-cell configurations. We also investigate the effect of the composite electrode thickness at different charge/discharge rates for the realization of all-solid-state batteries with high-energy-density. The results of this investigation confirm a consistent relationship between the cell capacity and the ionic resistance within the composite electrodes. Finally, a concentration-gradient composite electrode design is presented for enhanced power density in thick composite electrodes; it provides a promising route to improving the cell performance simply by composite electrode design.
The need for efficient and sustainable energy storage solutions has emerged due to a rapidly increasing energy demand and growing concerns about environmental issues. Among various energy storage methods, lithium secondary batteries are widely used in a variety of electronic devices such as smartphones, laptops, electric vehicles, and large-scale power storage systems due to their high energy density, long lifespan, and cost competitiveness. Recently, all-solid-state batteries (ASSBs) have attracted great attention because they can reduce the risk of fire associated with liquid electrolytes. Additionally, using high-capacity alternative anodes and cathodes in ASSBs can enhance energy density. However, ASSBs that use solid electrolytes experience a degradation in their electrochemical performances due to resistance at solid-solid interfaces. These interfaces can also result in poor physical contact and the presence of products formed from chemical and electrochemical reactions. Solving this interface problem is a critical issue for the commercialization of ASSBs. This review summarizes interfacial reactions between the cathode and solid electrolyte, along with research aimed at improving these interactions. Future development directions in this field are also discussed.
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.
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.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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