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.

The very high ionic conductivity of Li10GeP2S12 (LGPS) makes it a potential solid electrolyte for lithium all-solid-state batteries. Besides the high ionic conductivity, another key requirement is the stability of the solid electrolyte against degradation reactions with the electrodes; here, we analyze the reaction of LGPS with lithium metal. In situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), in combination with time-resolved electrochemical measurements offers detailed information on the chemical reactions at the Li/LGPS interface. The decomposition of Li10GeP2S12 leads to the formation of an interphase composed of Li3P, Li2S, and Li–Ge alloy, which is in perfect agreement with theoretical predictions, and an increase of the interfacial resistance. These results highlight the necessity to perform long-term, time-resolved electrochemical measurements when evaluating potential new solid electrolytes for solid-state batteries. The kinetics of this interphase growth—comparable to SEI formation on lithium anodes in liquid electrolytes—seems to be governed by diffusion across the interphase, as a square root time dependence is observed.

Interfacial reactions of solid electrolytes play an important role in all-solid-state batteries. The interface resistances—describing charge transfer between electrode and solid electrolyte—and the cycle stability of the battery depend on the chemical and physical properties of the interfaces. As buried interfaces in all-solid-state batteries are difficult to investigate, the knowledge on interfacial reactions and the interfacial kinetics is poor—especially in case of the interface between solid electrolytes and alkali metal. Here, a simple and straightforward technique for the investigation of the formation of an interfacial reaction zone (interphase) at the surface of a solid electrolyte is presented. The key concept is to use the internal argon ion sputter gun in a standard lab-scale photoelectron spectrometer to deposit thin metal films (e.g. lithium) on the sample surface and to study the reaction between metal and solid electrolyte by photoelectron spectroscopy directly after deposition. As an example for the formation of interphases on solid electrolyte materials, lithium is deposited on lithium lanthanum titanate (LLTO), and the reaction is observed by XPS in situ. The obtained spectra show the formation of reduced titanium ions and titanium metal due to the reaction of LLTO with Li—i.e. by lithium insertion. The presented experimental approach can be used for the deposition of virtually any metal on the sample and can be easily adapted to a wide range of applications such as enhancing the electronic conductivity of samples in situ, studies of electronic contact properties in devices, detailed analysis of emission depth distribution functions for thin overlayers or to create internal binding energy standards.

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.

The properties of the interface between solid electrolytes and electrode materials are of vital importance for the performance of all solid-state batteries (ASSB). Unwanted reactions between alkali metal electrodes and the solid electrolyte can lead to the formation of compounds that either facilitate or block the ion transfer kinetics. In particular for lithium solid electrolytes in the Li2S–P2S5 system with very high lithium ion conductivity only little is known about interfacial reactions with lithium metal. Here we monitor the formation of an interphase between Li7P3S11 and lithium metal by a combined analytical approach, comprising in situ photoelectron spectroscopy and time-dependent electrochemical impedance spectroscopy. Utilizing a self-developed XPS peak fit model for Li7P3S11, we identify the components of this interphase, discuss its properties and develop a qualitative model, which shows that the reaction between electrolyte and lithium metal, and hence, the interphase growth, is limited to a few nm. The solid electrolyte being used is a highly crystalline form of the superionic conductor Li7P3S11 without any residual glassy phase, and the synthesis of this Li7P3S11 phase is also reported.

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.

All-solid-state batteries (SSBs) have recently attracted much attention due to their potential application in electric vehicles. One key issue that is central to improve the function of SSBs is to gain a better understanding of the interfaces between the material components toward enhancing the electrochemical performance. In this work, the interfacial properties of a carbon-containing cathode composite, employing Li10GeP2S12 as the solid electrolyte, are investigated. A large interfacial charge-transfer resistance builds up upon the inclusion of carbon in the composite, which is detrimental to the resulting cycle life. Analysis by X-ray photoelectron spectroscopy reveals that carbon facilitates faster electrochemical decomposition of the thiophosphate solid electrolyte at the cathode/solid electrolyte interface-by transferring the low chemical potential of lithium in the charged state deeper into the solid electrolyte and extending the decomposition region. The occurring accumulation of highly oxidized sulfur species at the interface is likely responsible for the large interfacial resistances and aggravated capacity fading observed.

All-solid-state batteries (ASSBs) show great potential for providing high power and energy densities with enhanced battery safety. While new solid electrolytes (SEs) have been developed with high enough ionic conductivities, SSBs with long operational life are still rarely reported. Therefore, on the way to high-performance and long-life ASSBs, a better understanding of the complex degradation mechanisms, occurring at the electrode/electrolyte interfaces is pivotal. While the lithium metal/solid electrolyte interface is receiving considerable attention due to the quest for high energy density, the interface between the active material and solid electrolyte particles within the composite cathode is arguably the most difficult to solve and study. In this work, multiple characterization methods are combined to better understand the processes that occur at the LiCoO2 cathode and the Li10GeP2S12 solid electrolyte interface. Indium and Li4Ti5O12 are used as anode materials to avoid the instability problems associated with Li-metal anodes. Capacity fading and increased impedances are observed during long-term cycling. Postmortem analysis with scanning transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy show that electrochemically driven mechanical failure and degradation at the cathode/solid electrolyte interface contribute to the increase in internal resistance and the resulting capacity fading. These results suggest that the development of electrochemically more stable SEs and the engineering of cathode/SE interfaces are crucial for achieving reliable SSB performance.

The interfacial stability of solid electrolytes at the electrodes is crucial for an application of all-solid-state batteries and protected electrodes. For instance, undesired reactions between sodium metal electrodes and the solid electrolyte form charge transfer hindering interphases. Due to the resulting large interfacial resistance, the charge transfer kinetics are altered and the overvoltage increases, making the interfacial stability of electrolytes the limiting factor in these systems. Driven by the promising ionic conductivities of Na3PS4, here we explore the stability and viability of Na3PS4 as a solid electrolyte against metallic Na and compare it to that of Na-β″-Al2O3 (sodium β-alumina). As expected, Na-β″-Al2O3 is stable against sodium, whereas Na3PS4 decomposes with an increasing overall resistance, making Na-β″-Al2O3 the electrolyte of choice for protected sodium anodes and all-solid-state batteries.