All-solid-state lithium ion batteries may become long-term, stable, high-performance energy storage systems for the next generation of electric vehicles and consumer electronics, depending on the compatibility of electrode materials and suitable solid electrolytes. Nickel-rich layered oxides are nowadays the benchmark cathode materials for conventional lithium ion batteries because of their high storage capacity and the resulting high energy density, and their use in solid-state systems is the next necessary step. In this study, we present the successful implementation of a Li[Ni,Co,Mn]O2 material with high nickel content (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, NCM-811) in a bulk-type solid-state battery with β-Li3PS4 as a sulfide-based solid electrolyte. We investigate the interface behavior at the cathode and demonstrate the important role of the interface between the active materials and the solid electrolyte for the battery performance. A passivating cathode/electrolyte interphase layer forms upon charging and leads to an irreversible first cycle capacity loss, corresponding to a decomposition of the sulfide electrolyte. In situ electrochemical impedance spectroscopy and X-ray photoemission spectroscopy are used to monitor this formation. We demonstrate that most of the interphase formation takes place in the first cycle, when charging to potentials above 3.8 V vs Li+/Li. The resulting overvoltage of the passivating layer is a detrimental factor for capacity retention. In addition to the interfacial decomposition, the chemomechanical contraction of the active material upon delithiation causes contact loss between the solid electrolyte and active material particles, further increasing the interfacial resistance and capacity loss. These results highlight the critical role of (electro-)chemo-mechanical effects in solid-state batteries.

Charge and discharge of lithium ion battery electrodes is accompanied by severe volume changes. In a confined space, the volume cannot expand, leading to significant pressures induced by local microstructural changes within the battery. While volume changes appear to be less critical in batteries with liquid electrolytes, they will be more critical in the case of lithium ion batteries with solid electrolytes and they will be even more critical and detrimental in the case of all-solid-state batteries with a lithium metal electrode. In this work we first summarize, compare, and analyze the volume changes occurring in state of the art electrode materials, based on crystallographic studies. A quantitative analysis follows that is based on the evaluation of the partial molar volume of lithium as a function of the degree of lithiation for different electrode materials. Second, the reaction volumes of operating full cells (“charge/discharge volumes”) are experimentally determined from pressure-dependent open-circuit voltage measurements. The resulting changes in the open-circuit voltage are in the order of 1 mV/100 MPa, are well measurable, and agree with changes observed in the crystallographic data. Third, the pressure changes within solid-state batteries are approximated under the assumption of incompressibility, i.e. for constant volume of the cell casing, and are compared to experimental data obtained from model-type full cells. In addition to the understanding of the occurring volume changes of electrode materials and resulting pressure changes in solid-state batteries, we propose “mechanical” blending of electrode materials to achieve better cycling performance when aiming at “zero-strain” electrodes.

In the near future, the targets for lithium-ion batteries concerning specific energy and cost can advantageously be met by introducing layered LiNixCoyMnzO2 (NCM) cathode materials with a high Ni content (x ≥ 0.6). Increasing the Ni content allows for the utilization of more lithium at a given cell voltage, thereby improving the specific capacity but at the expense of cycle life. Here, the capacity-fading mechanisms of both typical low-Ni NCM (x = 0.33, NCM111) and high-Ni NCM (x = 0.8, NCM811) cathodes are investigated and compared from crystallographic and microstructural viewpoints. In situ X-ray diffraction reveals that the unit cells undergo different volumetric changes of around 1.2 and 5.1% for NCM111 and NCM811, respectively, when cycled between 3.0 and 4.3 V vs Li/Li+. Volume changes for NCM811 are largest for x(Li) < 0.5 because of the severe decrease in interlayer lattice parameter c from 14.467(1) to 14.030(1) Å. In agreement, in situ light microscopy reveals that delithiation leads to different volume contractions of the secondary particles of (3.3 ± 2.4) and (7.8 ± 1.5)% for NCM111 and NCM811, respectively. And postmortem cross-sectional scanning electron microscopy analysis indicates more significant microcracking in the case of NCM811. Overall, the results establish that the accelerated aging of NCM811 is related to the disintegration of secondary particles caused by intergranular fracture, which is driven by mechanical stress at the interfaces between the primary crystallites.

We report on the transport properties of lithium ion conducting glass ceramics represented by the general composition Li1+x–yAlx3+My5+M2–x–y4+(PO4)3 with NASICON-type structure and their stability in contact with lithium metal. In particular, solid electrolyte phases with M = Ge, M = Ti, Ge, and M = Ti, Ta were investigated. AC impedance spectroscopy and DC polarization measurements were applied to determine the conductivity as a function of temperature, and to extract the partial electronic conductivity. The maximum total conductivity at room temperature was found to be about 4 × 10–4 S/cm for the solely Ge containing sample. We demonstrate that the combination of vacuum-based lithium thin film deposition and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is well suited to study the reactivity of the solid electrolyte membranes in contact with lithium. As a major result, we show that none of the materials investigated is stable in contact with lithium metal, and we discuss the reactive interaction between solid electrolytes and Li metal in terms of the formation of a mixed (ionic/electronic) conducting interphase (MCI) following the well-known SEI concept in liquid electrolytes.

All-solid-state lithium-ion batteries have the potential to become an important class of next-generation electrochemical energy storage devices. However, for achieving competitive performance, a better understanding of the interfacial processes at the electrodes is necessary for optimized electrode compositions to be developed. In this work, the interfacial processes between the solid electrolyte (Li10GeP2S12) and the electrode materials (In/InLi and LixCoO2) are monitored using impedance spectroscopy and galvanostatic cycling, showing a large resistance contribution and kinetic hindrance at the metal anode. The effect of different fractions of the solid electrolyte in the composite cathodes on the rate performance is tested. The results demonstrate the necessity of a carefully designed composite microstructure depending on the desired applications of an all-solid-state battery. While a relatively low mass fraction of solid electrolyte is sufficient for high energy density, a higher fraction of solid electrolyte is required for high power density.

Lithium intercalation into graphite is one of the electrochemically best studied solid-state reactions, and its application in lithium-ion batteries was a pioneering step in the development of advanced electrochemical storage devices. Therefore, one might expect that virtually any aspect of this important reaction has been examined both qualitatively and quantitatively. All the more, it is surprising that there are only a few experimental studies on the volume expansion of graphite, especially under cycling conditions. To the best of our knowledge, there exists no comprehensive set of structural data as a function of lithium content. Here, we present this missing information using combined results from electrochemical testing and operando X-ray diffraction. The changes in lattice parameters and unit cell volume are examined and related to the different intercalation stages and phase transition regimes. A total volume expansion (from space-group-independent evaluation) of 13.2% is observed when C6 is fully lithiated to a composition of LiC6, of which approximately 5.9% occur in the early dilute stages. The remaining expansion of approximately 7.3% is due to transition from stage 2 to stage 1. These findings are corroborated by in situ pressure measurements on prelithiated Li4Ti5O12/graphite cells. Collectively, our data provide valuable information about one of the most important electrode materials for lithium-ion batteries and clearly demonstrate that even partially lithiated graphite experiences considerable crystallographic strain.

Two major strategies are currently pursued to improve the energy density of lithium-ion batteries using LiNixCoyMnzO2 (NCM) cathode materials. One is to increase the fraction of redox active Ni (≥80%), which allows larger amounts of Li to be extracted at a given cutoff voltage (Umax). The other is to increase Umax, in particular for medium-Ni content NCM materials. However, the accompanying lattice changes ultimately lead to capacity fading in both cases. Here the structural changes occurring in Li1.02NixCoyMnzO2 (with x = 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) during cycling operation in the voltage range between 3.0 and 4.6 V vs Li are quantified by means of operando X-ray diffraction combined with detailed Rietveld analysis. All samples show a large decrease in unit cell volume upon charging, ranging from 2.4% for NCM111 (33% Ni) to 8.0% for NCM851005 (85% Ni). To make a fair comparison of the structural stability of the different NCM materials, energy densities as a function of Umax are estimated and correlated with X-ray diffraction results. It is shown that NCMs with a lower Ni content allow for specific energies similar to that of, e.g., Ni-rich NCM811 (80% Ni) when operated at sufficiently high Umax, but still undergo less pronounced changes in structure. Nevertheless, as indicated by charge/discharge tests, the capacity retention of low- and medium-Ni content NCMs cycled to high Umax is also strongly affected by factors other than stability of the layered crystal lattice (electrolyte decomposition etc.). Overall, it is demonstrated that the complexity of the degradation processes needs to be better understood to identify optimal cycling conditions for specific cathode compositions.

Ni-rich LiNixCoyMnzO2 (NCM) cathode materials have great potential for application in next-generation lithium-ion batteries owing to their high specific capacity. However, they are subjected to severe structural changes upon (de)lithiation, which adversely affects the cycling stability. Herein, we investigate changes in crystal and electronic structure of NCM811 (80% Ni) at high states of charge by a combination of operando X-ray diffraction (XRD), operando hard X-ray absorption spectroscopy (hXAS), ex situ soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS), and density functional theory (DFT) calculations and correlate the results with data from galvanostatic cycling in coin cells. XRD reveals a large decrease in unit cell volume from 101.38(1) to 94.26(2) Å3 due to collapse of the interlayer spacing when x(Li) < 0.5 (decrease in c-axis from 14.469(1) Å at x(Li) = 0.6 to 13.732(2) Å at x(Li) = 0.25). hXAS shows that the shrinkage of the transition metal–oxygen layer mainly originates from nickel oxidation. sXAS, together with DFT-based Bader charge analysis, indicates that the shrinkage of the interlayer, which is occupied by lithium, is induced by charge transfer between O 2p and partially filled Ni eg orbitals (resulting in decrease of oxygen–oxygen repulsion). Overall, the results demonstrate that high-voltage operation of NCM811 cathodes is inevitably accompanied by charge-transfer-induced lattice collapse.

This work reports on the cell chemistry of a room temperature sodium–oxygen battery using an electrolyte of diethylene glycol dimethyl ether (diglyme) and sodium trifluoromethanesulfonate (NaSO3CF3, sodium triflate). Different from lithium–oxygen cells, where lithium peroxide is found as the discharge product, sodium superoxide (NaO2) is formed in the present cell, with overpotentials as low as 100 mV during charging. Several analytical methods are used to follow the cell reaction during discharge and charge. Changes in structure and morphology are studied by SEM and XRD. It is found that NaO2 grows as cubic particles with feed sizes in the range of 10–50 μm; upon recharge the particles consecutively decompose. Pressure monitoring during galvanostatic cycling shows that the coulombic efficiency (e−/O2) for discharge and charge is approx. 1.0, the expected value for NaO2 formation. Also optical spectroscopy is identified as a convenient and useful tool to follow the discharge–charge process. The maximum discharge capacity is found to be limited by oxygen transport within the electrolyte soaked carbon fiber cathode and pore blocking near the oxygen interface is observed. Finally electrolyte decomposition and sodium dendrite growth are identified as possible reasons for the limited capacity retention of the cell. The occurrence of undesired side reactions is analyzed by DEMS measurements during cycling as well as by post mortem XPS investigations.