Effect of the electrode potential on the surface composition and crystal structure of LiMn2O4 in aqueous solutions

Cubic spinel LiMn2O4 has been studied for the reversible extraction of Li+ from natural brine after the application of suitable electrode potentials. In this work we report on the insertion/extraction of Li+ from natural brine of Olaroz salt flat (Jujuy, Argentina) and aqueous LiCl solutions into/from Li1-xMn2O4 (0 < x ≤ 1) to determine changes in the crystal structure and surface composition upon electrochemical polarization. In agreement with the behavior in organic electrolytes, we found that the insertion and extraction of Li+ proceeds via a two stage process and that the crystal structure undergoes two cubic phase transitions as the lattice is expanded or contracted. Contrary to the behavior in organic solvents, no decomposition layer is formed on the electrode surface and the surface composition can be controlled with the electrode potential. We also found that sodium cations present in natural brine are not inserted into the crystal lattice in the potential window explored, however they are adsorbed on the oxide surface blocking Li+ adsorption sites and decreasing the rate of Li+ exchange.Fil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Direct measurement of lithium ion fluxes with a rotating ring disc electrode in potentiometric mode

Using potentiometric detection of lithium ions with a rotating ring disc electrode (RRDE), we report for the first time the simultaneous direct measurement of lithium ion fluxes for two experiments: a) O2 reduction in LiPF6 DMSO electrolyte and b) insertion and release of Li+ into and from LiMn2O4 spinel structure in contact with aqueous Li+ ion solution. The theory of potentiometric RRDE developed for local pH measurement (Albery, Calvo, 1983) could be applied to obtain quantitative description of lithium surface concentration which differs from the analytical concentration under current flow. The new potentiometric technique can detect mismatch of electron and lithium ion fluxes.Fil: del Pozo, Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad Autónoma de Madrid; EspañaFil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Cantoni, Leonardo Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Tuning the electronic properties at the surface of BaBiO3 thin films

The presence of 2D electron gases at surfaces or interfaces in oxide thin films remains a hot topic in condensed matter physics. In particular, BaBiO3 appears as  a very interesting system as it was theoretically proposed that its (001) surface should become metallic if a Bi-termination is achieved (Vildosola et al., PRL 110, 206805 (2013)). Here we report on the preparation by pulsed laser depositionand characterization of BaBiO3 thin films on silicon. We show that the texture of the films can be tuned by controlling the growth conditions, being possible to stabilize strongly (100)-textured films. We find significant differences on the spec- troscopic and transport properties between (100)-textured and non-textured films.We rationalize these experimental results by performing first principles calcula- tions, which indicate the existence of electron doping at the (100) surface. This stabilizes Bi ions in a 3+ state, shortens Bi-O bonds and reduces the electronic band gap, increasing the surface conductivity. Our results emphasize the importance of surface effects on the electronic properties of perovskites, and provide strategies to design novel oxide heterostructures with potential interface-related 2D electron gases. C 2016 Author(s). All article content, except where other- wise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution (CC BY) licenseFil: Ferreyra, Cristian Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Güller, Francisco. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Lüders, U.. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Albornoz, C.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Leyva, Adelma Graciela. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Llois, Ana Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Vildosola, Veronica Laura. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rubi, Diego. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentin

LiCl electrochemical recovery from argentine natural brines using LiMn2O4 electrodes

En los tiempos que corren, la sociedad se ha tornado ampliamentedependiente de la energía, la cual es obtenida en gran medida a partir de laquema de combustibles fósiles. Desafortunadamente, dicha práctica contribuyede manera significativa al carnbio clirnático por lo que, en un futuro cercano,resulta inminente la transición total hacia el uso de energías renovables. Paraello, es preciso tener la capacidad tecnológica tanto de convertir como dealmacenar energías renovables intermitentes a escala masiva. Dado que hoy en día las baterías de litio - ion constituyen la tecnologíade cabecera para el almacenamiento de energía destinada principalmente aelectrónica portátil pero también a autos híbridos y eléctricos, el litio constituyeun recurso estratégico en el camino hacia un mundo más ecológico y sostenible. Por tanto, en un escenario en el que las haterías de litio ion prometen tenerun rol fundamental en el almacenamiento de energías renovables, la extracciónde litio desde fuentes natmales debe ser sostenible. Debido al alto contenido de litio presente en la salmuera de varios salaressituados en el noroeste argentino y motivados por la necesidad de contar con unmótodo alternativo de recuperación de litio más rápido, eficiente y ecológico quelos utilizados actualmente, hemos desarrollado un método electroquímico deextracción de LiCl a partir de soluciones acuosas y salmueras naturales. Estemétodo está inspirado en el principio de funcionamiento de las baterías de litio -ion, dado que es llevado a cabo en un reactor electroquímico equipado con unelectrodo de LiMn2O4 (LMO) reversible a iones Li- y otro de polipirrol, capaz deintercambiar reversiblernente iones Cl- con la solución. En la presente Tesis, se presentará el método desarrollado, delineando lasprincipales preguntas y desafíos. Se abordarán aspectos relacionados a laenergética del mótodo de recuperación de LiCl y al intercambio de iones litioentre electrodos de LMO y soluciones acuosas incluyendo salmuera natural del salar Olaroz (Jujuy, Argentina) que fueron estudiados haciendo uso de múltiplestécnicas electroquímicas tales como voltametría cíclica (CV),cronoamperometría (CA), técnica ele titulación galvanostática intermitente (GITT) y cronopotenciometría (CP), entre otras. El comportamiento Nernstianode los electrodos de LMO en contacto con soluciones acuosas conteniendo iones Li+, la descripción termodinámica de las curvas galvanostáticas de carga ydescarga de estos electrodos, la determinación de la actividad de LiCl ensalmuera natural y la extracción espontánea de LiCl desde salmuera, sonalgunos de estos aspectos. Posteriormente, se incursionará en la discusión sobre los cambiossuperficiales y estructurales que atraviesa un electrodo de LMO en contacto condistintos electrolitos acuosos conteniendo iones litio y sodio mientras ocurre laintercalación de iones litio dentro de su estructura cristalina. Estos cambiosfueron estudiados mediante espectroscopías fotoelectrónicas de rayos X y UV (XPS y UPS) y difracción de rayos X, respectivamente. Tambión se discutirán aspectos cinóticos de la intercalación de iones litioen la interfaz de electrodos ele LMO en contacto con soluciones acuosas ysalmuera natural, en base a los resultados obtenidos utilizando espectroscopía deimpedancia electroquímica (EIS). Finalmente, se presentarán resultados acercade la estabilidad de electrodos de LMO en soluciones acuosas en los extremos dela ventana de potencial utilizada, evaluando la evolución de 0 2 en el extremoanódico y la disolución del óxido que tiene lugar, principalmente, en el extremocatódico. Los estudios presentados en esta Tesis resultan de gran importancia,tanto por el sustancial aporte al estado del arte del comportamiento deelectrodos de LMO en soluciones acuosas y salmuera natural, como por lapropuesta de utilizarlos para la recuperación de litio desde fuentes naturales,contribuyendo así al desarrollo de una tecnología alternativa limpia y eficientede recuperación de litio a partir de salmuera en Argentina.In our times, society has become greatly dependent u pon energy, which islargely obtained from combustion of fossil fuels. Unfortunately, this is a majorcontributor to climate change, making the total transition to alternativerenewable energies highly necessary in the near future. To make that possible, itis crucial to have technological capacity to both convert and store intermittentrenewable energies at a large scale. Since lithium-ion batteries have become the leacling technology in energystorage to enable portable electronics and electric vehicles, lithium is nowadaysa strategic resource in the journey towards a more sustainable world. Hence,whether lithium-ion batteries are expected to play a major role in renewableenergy storage, lithium extraetion from natural sources must also besustainable. Given the high content of lithium in natural brines from altitude saltflats in the northwest of Argentina and driven by the need of a faster, moreefficient and environmentally friendly process for lithium recovery, we havedeveloped an electrochemical method to extract LiCl from aqueous solutionsand natural brine. This method is inspired on the working principle of Li-ionbatteries as it is carried out in an electrochemical reactor containing a LiMn2O4, (LMO) electrode reversible to Li1 ions and a polypyrrole electrode reversible to Cl· ions. In the present Thesis the method will be presented, to outline the mainquestions, challenges and solutions needed. Aspects related to the energetics of lithium exchange between LMOelectrodes and aqueous solutions including natural brine from Olaroz Salar (Jujuy, Argentina) have been explored with a number of electrochemicaltecniques such as cyclic voltammetry ( CV), chronoamperometry (CA),galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and chronopotentiometry (CP). The nernstian behaviour of LMO electrodes in Li1 containing electrolytes,a thermodynamic description of galvanostatic charge/ discharge curves, the determination of LiCl activity in natural brine and the spontaneous lithiumchloride extraction from natural brine will be presented and hereunderdiscussed. Surface and structural studies performed on LM0 electrodes in contactwith aqueous electrolytes containing lithium arnl sodiurn ions during lithiurnintercalation are then presented. The effect of electrode potential on surface andbulk composition has been explored by X-ray and UV-ray photoelectronspeetroscopies (UPS, XPS) and X-ray cliffraction (XRD) respectively,confirming that lithium ions are firstly adsorbed onto the electrode surface tolater cliffuse within its crystal lattice, whereas soclium ions only adsorb onto thesurface since they cannot be inserted into the crystal lattice of the oxide in thepotential winclow used. The latter observations lead us to inspect the kinetic aspects of theintercalation of lithiurn ions at the interface of LMO electrodes in contact withaqueous solutions and natural brine. Using electrochemical impedancespectroscopy (EIS), we have focused our study on the effcet that differentlithium and soelium ion concentrations in solution have on the intercalationkinetics, finding that whereas a high concentration of Li improves it, thepresence of Na+ ions has an inhibiting effect as they adsorb onto the electrodesurface and consequently block part of the Li+ surface adsorption sites. Finally, results concerning the stability of LMO electrodes in aqueous media inthe potential window used shall he discussed, comprising the evolution of O2 atthe anodic end and the dissolution of the spinel taking place, mostly, at thecathodic end. The studies presented in this Thesis are of great significance as they havesubstantially contributed both to the current state-of-the-art of LMO behaviourin natural brincs and to the development of a clean, fast and efficientalternative technology for lithium recovery from brines in Argentina.Fil: Marchini, Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Electrochemical impedance spectroscopy study of the LixMn2O4 interface with natural brine

The LiMn2O4-Polypyrrole electrochemical cell has been shown to extract LiCl from natural brine at low voltage with high selectivity, low energy consumption (5?10 Wh·mol− 1) and good stability. The intercalation/de-intercalation of Li+ ions in LixMn2O4 (0 ≤ x ≤ 1) has been studied by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at different potentials and lithium ion concentrations using a modified Randles equivalent electrical circuit for the interface of LixMn2O4 in natural brine from Salar de Olaroz (Jujuy, Argentina). The RCT exhibits two minima at potentials which correspond to x = 0.25 and x = 0.75 (half filled adsorption sites) respectively and a linear lithium ion concentration dependence of (Li+)− 0.5 consistent with a lithium ion transfer adsorption model proposed by Bruce.Fil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Sustainable selective extraction of lithium chloride from natural brine using a Li1-xMn2O4 ion pump

The spontaneous electrochemical extraction of lithium chloride from natural brine of high altitude salt flats in Northwest Argentina and recovery in a dilute electrolyte is demonstrated in two experiments: i) a highly selective LiMn2O4 insertion cathode and polypyrrole anion selective anode (salt capturing) and ii) an LiMn2O4 anode and lithium deficient Li1-xMn2O4 cathode separated by anion selective membrane (selective ion exchange). The entropy driven transfer of LiCl from concentrated brine to a dilute recovery electrolyte has been experimentally studied by ion pumping and the LiCl activity measured in natural brine.Fil: Marchini, Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentin

A LiMn2 O4 -Polypyrrole system for the extraction of LiCl from natural brine

A highly selective LiMn2 O4 -Polypyrrole electrochemical cell for the extraction of LiCl from natural brine is described. Reproducible intercalation of Li+ in Lix Mn2 O4 (0 ≤ x ≤ 1) and Cl- in oxidized polypyrrole (PPy+) is achieved with an overall cell voltage of less 1 V over more than 200 cycles with 50% charge efficiency and 5-10 Wh.mol-1 energy consumption. No insertion of Na+ has been observed.Fil: Missoni, Leandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: del Pozo, Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Li-Rich Layered Sulfide as Cathode Active Materials in All-Solid-State Li–Metal Batteries

International audienceGreat hopes are placed on all-solid state Li-metal batteries (ASSB's) to boost the energy density of the current Li-ion technology. Though, these devices still present a number of unresolved issues that keep them far from commercialization such as interfacial instability, lithium dendrite formation and lack of mechanical integrity during cycling. To mitigate these limiting aspects, the most advanced ASSB systems presently combine a sulfide or oxide-based solid electrolyte (SE) with a coated Li-based oxide as positive electrode and a lithium anode. Through this work we propose a different twist by switching from layered oxides to layered sulfides as active cathode materials. Herein we present the performance of a Li-rich layered sulfide of formula Li 1.13 Ti 0.57 Fe 0.3 S 2 (LTFS) in room temperature operating all-solid state batteries, using β-Li 3 PS 4 as a solid electrolyte and both InLi and Li anode materials. These batteries exhibit good cyclability, small polarization and, in the case of Li anode, no irreversible capacity. Taking advantage of the stable LTFS/β-Li 3 PS 4 interface, we also propose the use of LTFS mixed with an 2 oxide-based cathode material in the positive electrode of an ASSB. Our proof of concept using LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC 622) showed that the addition of a small amount of LTFS had a direct positive impact in the battery performance, ascribed to the improvement of the oxide cathode/sulfide SE interface

Surface studies of lithium-oxygen redox reactions over HOPG

The O2/Li2O2 electrode reaction has been studied on low surface area HOPG electrodes in 0.1 M LiPF6 in dimethyl sulfoxide (DMSO) electrolyte. Studies were performed using electrochemical cells coupled to a XPS spectrometer and to an AFM microscope. AFM images after electrochemical treatment at cathodic potentials exhibited 20 to 100 nm in height features, whereas anodic treatment showed a thin film of about 1 nm thickness deposited over the HOPG electrode. XPS spectra after electrochemical treatment showed surface species due to DMSO and LiPF6 decomposition. These findings indicate the high reactivity of oxygen reduction products towards the electrolyte and the solvent. The unwanted deposits formed under electrochemical operation cannot be completely eliminated from the surface even after applying high anodic potentials. This highlights the known loss of capacity of Li-air batteries, issue that must be overcome for successful applications.Fil: Marchini, Florencia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Herrera, Santiago Esteban. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Calvo, Ernesto Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Williams, Federico José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentin

In Search of the Best Solid Electrolyte-Layered Oxide Pairing for Assembling Practical All-Solid-State Batteries

International audienceAll-solid-state batteries (ASSBs) are the subject of large enthusiasm as they could boost by 50% the energy density of today's Li-ion batteries provided that several fundamental/practical roadblocks can be solved. Focusing on the interface between the solid electrolyte and cathode active material (CAM), we herein studied the chemical/electrochemical compatibility of coated-layered oxide LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 with the three main inorganic electrolytes contenders, these being lithium thiophosphate (β-Li3PS4), argyrodite (Li6PS5Cl), and halide (Li3InCl6). Such electrolytes were prepared by either solvent-free or solution chemistry and paired with the CAM to form a composite which was further tested by assembling solid-state batteries using Li0.5In as negative electrode. Amongst the electrolytes prepared by dry routes, the best performing was found to be Li6PS5Cl followed by β-Li3PS4 and lastly Li3InCl6. In contrast, no general trend of benefit or detriment was observed when switching to solution route as it resulted in either performance improvement or deterioration depending on the electrolyte. Additionally, we show a strong dependence of the battery performance upon the presence of carbon additives. Lastly, we unraveled a pronounced chemical/electrochemical incompatibility of Li3InCl6 towards Li6PS5Cl and β-Li3PS4, hence questioning the design of hetero-structural cell architectures. Altogether, we hope these findings to provide guidance in the proper pairing of electrode-electrolytes components for designing highly performing solid-state batteries