Safe, Low-Cost, High-Energy-Density TEAM: E. Wachsman, - - PowerPoint PPT Presentation

▶
safe low cost high energy density
SMART_READER_LITE
LIVE PREVIEW

Safe, Low-Cost, High-Energy-Density TEAM: E. Wachsman, - - PowerPoint PPT Presentation

Jan 31, 2024 126 likes •311 views

Safe, Low-Cost, High-Energy-Density TEAM: E. Wachsman, Professor, University of Maryland

slide-1
SLIDE 1

Technology ¡Overview Current ¡Status ¡

Safe, Low-Cost, High-Energy-Density Solid-State Li-Ion Batteries

TEAM: ¡

  • E. ¡Wachsman, ¡Professor, ¡University ¡of ¡Maryland ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 301.405.8193 ¡ ¡| ¡ ¡ewach@umd.edu ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

  • L. ¡Hu, ¡Assistant ¡Professor, ¡University ¡of ¡Maryland ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

  • V. ¡Thangadurai, ¡Professor, ¡University ¡of ¡Calgary

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Project ¡Statistics

  • Fabricated ¡thin ¡dense ¡Solid ¡State ¡Electrolyte ¡(SSE) ¡layer ¡
  • n ¡porous ¡support ¡using ¡low-­‑cost ¡ceramic ¡processing ¡
  • Filling ¡3D ¡SSE ¡scaffold ¡with ¡Li ¡metal ¡anode ¡and ¡high ¡

voltage ¡cathode ¡

  • High ¡surface ¡area ¡SSE ¡scaffold ¡results ¡in ¡smaller ¡charge ¡

transfer ¡resistance ¡and ¡no ¡electrode ¡cycling ¡fatigue ¡

  • Projected ¡battery ¡energy ¡density ¡~ ¡600 ¡Wh/kg
  • Developed ¡reproducible ¡high-­‑conductivity, ¡high-­‑voltage, ¡

intrinsically-­‑safe ¡solid ¡state ¡electrolyte ¡(SSE) ¡

  • Optimizing ¡low-­‑cost ¡multi-­‑layer ¡SSE ¡fabrication ¡process ¡
  • Demonstrated ¡stable ¡long ¡term ¡DC ¡cycling ¡at ¡high ¡rate ¡
  • Testing ¡of ¡all ¡solid ¡state ¡battery ¡in ¡progress ¡
  • Seeking ¡ceramic ¡materials ¡and ¡battery ¡manufacturing ¡

companies ¡for ¡commercial ¡scale-­‑up

30µm ¡SSE Lithium SSE Cathode ¡& ¡Graphene ¡ ¡infiltrated ¡SSE

Award ¡Amount $590,380 Award ¡Timeline 01/29/2014 ¡to ¡03/15/2015 Next ¡Stage ¡Target Commercially ¡viable ¡multi-­‑cell ¡ prototype Collaborations ¡Sought Battery ¡ ¡manufacturing ¡& ¡ commercialization ¡partners

slide-2
SLIDE 2

Li+ Conducting Garnets

Discovered by colleagues Venkataraman Thangadurai and Werner Weppner

slide-3
SLIDE 3

Li+ Conducting Garnets

Discovered by colleagues Venkataraman Thangadurai and Werner Weppner

Collaborating on development of new compositions and have increased room temperature conductivity to 0.7 mS/cm

slide-4
SLIDE 4

Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-5
SLIDE 5

Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries

  • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous

electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing

  • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe

(non-flammable) garnet solid state electrolytes (SSE)

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-6
SLIDE 6

Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries

  • Porous SSE scaffold allows use of high specific

capacity Limetal anode with no SEI formation

  • Porous 3-D networked SSE scaffolds also allow

electrode materials to fill volume with a smaller charge transfer resistance and no electrode cycling fatigue SSE Li

  • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous

electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing

  • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe

(non-flammable) garnet solid state electrolytes (SSE)

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-7
SLIDE 7

Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries

  • Porous SSE scaffold allows use of high specific

capacity Limetal anode with no SEI formation

  • Porous 3-D networked SSE scaffolds also allow

electrode materials to fill volume with a smaller charge transfer resistance and no electrode cycling fatigue SSE Li

  • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous

electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing

  • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe

(non-flammable) garnet solid state electrolytes (SSE)

  • Stable electrochemical voltage window of garnet SSE allows for

high voltage (~6 V) cathodes

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-8
SLIDE 8
  • Successfully laminated 3 layers

Tapecast Fabrication

  • Optimized slurry viscosity
  • Cast ~150 um green scaffold tape
  • Cast ~20 um green electrolyte tape
  • Sintered ~100 um porous film strong

enough to handle

Flexible 3-­‑layer laminate 1” ¡punch Bubble-­‑free ¡tape

Sintered ¡to ¡0.8” ¡ diameter Sintered ¡to ¡100 ¡ um ¡thickness

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-9
SLIDE 9

Cathode Electrolyte Anode

Successful fabrication of porous-dense-porous triple layer garnet structure

74 um 34 um

Cubic garnet reference pattern

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-10
SLIDE 10

Cross-section SEM

Successfully infiltrated cathode materials and graphene in porous garnet

Cathode Infiltration in Porous Garnet Scaffold

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-11
SLIDE 11

2000 4000 6000 8000

  • 2000
  • 4000
  • 6000
  • 8000

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

200 400

  • 200
  • 400

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

Surface treatment of SSE to improve lithium contact

Surface treatment dramatically reduces contact resistance

Dense SSE(LLZCN) Li Li (black) (red)

LLCZN without LLCZN with

Room temperature conductivity measurements of LLCZN

σb = 5.9x10-4 S/cm σtotal = 4.9x10-5 S/cm σb = 2.6x10-4 S/cm σtotal = 2.6x10-5 S/cm

Dense 150 um thick

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-12
SLIDE 12

2000 4000 6000 8000

  • 2000
  • 4000
  • 6000
  • 8000

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

200 400

  • 200
  • 400

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

Surface treatment of SSE to improve lithium contact

Surface treatment dramatically reduces contact resistance

Dense SSE(LLZCN) Li Li (black) (red)

LLCZN without LLCZN with

Room temperature conductivity measurements of LLCZN

σb = 5.9x10-4 S/cm σtotal = 4.9x10-5 S/cm σb = 2.6x10-4 S/cm σtotal = 2.6x10-5 S/cm

40 80 120 160 200 240 280 320

  • 80
  • 40

40 80 No treated Surface treated

Voltage (mV vs. Li+/Li) Time (min)

71 µA/cm2

ASR = 25 Ω cm2 ASR = 499 Ω cm2

Dense 150 um thick

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-13
SLIDE 13

2000 4000 6000 8000

  • 2000
  • 4000
  • 6000
  • 8000

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

200 400

  • 200
  • 400

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

Surface treatment of SSE to improve lithium contact

Surface treatment dramatically reduces contact resistance

Dense SSE(LLZCN) Li Li (black) (red)

LLCZN without LLCZN with

Room temperature conductivity measurements of LLCZN

σb = 5.9x10-4 S/cm σtotal = 4.9x10-5 S/cm σb = 2.6x10-4 S/cm σtotal = 2.6x10-5 S/cm

40 80 120 160 200 240 280 320

  • 80
  • 40

40 80 No treated Surface treated

Voltage (mV vs. Li+/Li) Time (min)

71 µA/cm2

ASR = 25 Ω cm2 ASR = 499 Ω cm2 RInterfacial = 469 Ω/cm2

Dense 150 um thick

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-14
SLIDE 14

2000 4000 6000 8000

  • 2000
  • 4000
  • 6000
  • 8000

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

200 400

  • 200
  • 400

Z" / Ω cm

2

Z' / Ω cm

2

Surface treatment of SSE to improve lithium contact

Surface treatment dramatically reduces contact resistance

Dense SSE(LLZCN) Li Li (black) (red)

LLCZN without LLCZN with

Room temperature conductivity measurements of LLCZN

σb = 5.9x10-4 S/cm σtotal = 4.9x10-5 S/cm σb = 2.6x10-4 S/cm σtotal = 2.6x10-5 S/cm

40 80 120 160 200 240 280 320

  • 80
  • 40

40 80 No treated Surface treated

Voltage (mV vs. Li+/Li) Time (min)

71 µA/cm2

ASR = 25 Ω cm2 ASR = 499 Ω cm2 RInterfacial within measurement error is 0 Ω/cm2 RInterfacial = 469 Ω/cm2

Dense 150 um thick

Solid State Li Battery (SSLiB)

slide-15
SLIDE 15

Planar symmetric cell fast cycling with surface treatment

Stable plating/ stripping cycling No degradation or performance decay

Solid State Li Battery (SSLiB)

Cycling at 3 mA/cm2, RASR = 30 ohm·cm2 550 hours, still running

533 534

  • 0.10
  • 0.05

0.00 0.05 0.10

40 min Time (h) 40 min

slide-16
SLIDE 16

All Solid State Battery

First All Solid State Li-Ion Battery (SSLiB) with high capacity Limetal anode

slide-17
SLIDE 17

All Solid State Battery

First All Solid State Li-Ion Battery (SSLiB) with high capacity Limetal anode

Major Accomplishments:

  • Achieved Garnet electrolyte with RT conductivity ~1 mS/cm
  • Verified Garnet electrolyte is stable from Li metal up to 6 V
  • Demonstrated scalable fabrication of Garnet electrolyte by tape casting
  • Porous-dense-porous triple layer successfully fabricated
  • Infiltrated Li metal anode and high voltage cathode in porous Garnet
  • Developed low interfacial impedance surface treatment for Garnet electrolytes
  • Demonstrated high current and high cycle rate of Li metal with Garnet without degradation
  • Demonstrated all solid state battery with high voltage cathode and Li metal anode
slide-18
SLIDE 18

All Solid State Battery

First All Solid State Li-Ion Battery (SSLiB) with high capacity Limetal anode

Major Accomplishments:

  • Achieved Garnet electrolyte with RT conductivity ~1 mS/cm
  • Verified Garnet electrolyte is stable from Li metal up to 6 V
  • Demonstrated scalable fabrication of Garnet electrolyte by tape casting
  • Porous-dense-porous triple layer successfully fabricated
  • Infiltrated Li metal anode and high voltage cathode in porous Garnet
  • Developed low interfacial impedance surface treatment for Garnet electrolytes
  • Demonstrated high current and high cycle rate of Li metal with Garnet without degradation
  • Demonstrated all solid state battery with high voltage cathode and Li metal anode

Lessons Learned:

  • Solid state interfacial impedance and stability can be dramatically improved by compositional and

microstructural modification

  • Multi-layer Garnet structures can be fabricated with scalable methods without sacrificing conductivity
  • However, optimization of processing conditions was much more difficult than initially thought