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

Safe, Low-Cost, High-Energy-Density TEAM: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ E. ¡Wachsman, ¡Professor, ¡University ¡of ¡Maryland ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 301.405.8193 ¡ ¡| ¡ ¡ewach@umd.edu ¡ Solid-State Li-Ion Batteries ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ L. ¡Hu, ¡Assistant ¡Professor, ¡University ¡of ¡Maryland ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ V. ¡Thangadurai, ¡Professor, ¡University ¡of ¡Calgary Technology ¡Overview Current ¡Status ¡ • Fabricated ¡thin ¡dense ¡Solid ¡State ¡Electrolyte ¡(SSE) ¡layer ¡ • Developed ¡reproducible ¡high-­‑conductivity, ¡high-­‑voltage, ¡ on ¡porous ¡support ¡using ¡low-­‑cost ¡ceramic ¡processing ¡ intrinsically-­‑safe ¡solid ¡state ¡electrolyte ¡(SSE) ¡ • Filling ¡3D ¡SSE ¡scaffold ¡with ¡Li ¡metal ¡anode ¡and ¡high ¡ • Optimizing ¡low-­‑cost ¡multi-­‑layer ¡SSE ¡fabrication ¡process ¡ voltage ¡cathode ¡ • Demonstrated ¡stable ¡long ¡term ¡DC ¡cycling ¡at ¡high ¡rate ¡ • High ¡surface ¡area ¡SSE ¡scaffold ¡results ¡in ¡smaller ¡charge ¡ • Testing ¡of ¡all ¡solid ¡state ¡battery ¡in ¡progress ¡ transfer ¡resistance ¡and ¡no ¡electrode ¡cycling ¡fatigue ¡ • Seeking ¡ceramic ¡materials ¡and ¡battery ¡manufacturing ¡ • Projected ¡battery ¡energy ¡density ¡~ ¡600 ¡Wh/kg companies ¡for ¡commercial ¡scale-­‑up Project ¡Statistics 30µm ¡SSE Award ¡Amount $590,380 Award ¡Timeline 01/29/2014 ¡to ¡03/15/2015 SSE Cathode ¡& ¡Graphene ¡ ¡infiltrated ¡SSE Next ¡Stage ¡Target Commercially ¡viable ¡multi-­‑cell ¡ Lithium prototype Collaborations ¡Sought Battery ¡ ¡manufacturing ¡& ¡ commercialization ¡partners

Li + Conducting Garnets Discovered by colleagues Venkataraman Thangadurai and Werner Weppner

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

Solid State Li Battery (SSLiB) 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) Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe ( non-flammable ) garnet solid state electrolytes (SSE) • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing

Solid State Li Battery (SSLiB) Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe ( non-flammable ) garnet solid state electrolytes (SSE) • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing SSE • Porous SSE scaffold allows use of high specific capacity Li metal anode with no SEI formation Li • Porous 3-D networked SSE scaffolds also allow electrode materials to fill volume with a smaller charge transfer resistance and no electrode cycling fatigue

Solid State Li Battery (SSLiB) Apply what we know about solid-state-ionics and fabrication techniques to develop high-power-density, low-cost, all solid-state batteries • Based on high-conductivity, high-voltage, intrinsically-safe ( non-flammable ) garnet solid state electrolytes (SSE) • Fabricating thin SSE layer supported by high surface area porous electrodes using low-cost multi-layer ceramic (SOFC) processing SSE • Porous SSE scaffold allows use of high specific capacity Li metal anode with no SEI formation Li • Porous 3-D networked SSE scaffolds also allow electrode materials to fill volume with a smaller charge transfer resistance and no electrode cycling fatigue • Stable electrochemical voltage window of garnet SSE allows for high voltage (~6 V) cathodes

Solid State Li Battery (SSLiB) Tapecast Fabrication • Optimized slurry viscosity • Cast ~150 um green scaffold tape • Cast ~20 um green electrolyte tape Bubble-­‑free ¡tape • Successfully laminated 3 layers • Sintered ~100 um porous film strong enough to handle Flexible 1” ¡punch Sintered ¡to ¡100 ¡ um ¡thickness Sintered ¡to ¡0.8” ¡ diameter 3-­‑layer laminate

Solid State Li Battery (SSLiB) 74 um Cathode Electrolyte 34 um Anode Cubic garnet reference pattern Successful fabrication of porous-dense-porous triple layer garnet structure

Solid State Li Battery (SSLiB) Cathode Infiltration in Porous Garnet Scaffold Cross-section SEM Successfully infiltrated cathode materials and graphene in porous garnet

Solid State Li Battery (SSLiB) Surface treatment of SSE to improve lithium contact 150 um thick Surface treatment Li dramatically reduces Dense SSE(LLZCN) Dense contact resistance Li (black) (red) Room temperature conductivity measurements of LLCZN -8000 -400 2 Z" / Ω cm σ b = 5.9x10 -4 S/cm -6000 σ total = 4.9x10 -5 S/cm -200 2 Z" / Ω cm LLCZN with 0 -4000 0 200 400 Z' / Ω cm 2 LLCZN without -2000 σ b = 2.6x10 -4 S/cm σ total = 2.6x10 -5 S/cm 0 0 2000 4000 6000 8000 2 Z' / Ω cm

Solid State Li Battery (SSLiB) Surface treatment of SSE to improve lithium contact 150 um thick Surface treatment Li dramatically reduces Dense SSE(LLZCN) Dense contact resistance Li (black) (red) Room temperature conductivity measurements of LLCZN ASR = 499 Ω cm 2 80 -8000 Voltage (mV vs. Li + /Li) -400 40 2 Z" / Ω cm σ b = 5.9x10 -4 S/cm -6000 σ total = 4.9x10 -5 S/cm ASR = 25 Ω cm 2 -200 2 Z" / Ω cm 0 LLCZN with 0 -4000 0 200 400 Z' / Ω cm 2 LLCZN without -40 -2000 No treated 71 µ A/cm 2 σ b = 2.6x10 -4 S/cm Surface treated -80 σ total = 2.6x10 -5 S/cm 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 0 2000 4000 6000 8000 Time (min) 2 Z' / Ω cm

Solid State Li Battery (SSLiB) Surface treatment of SSE to improve lithium contact 150 um thick Surface treatment Li dramatically reduces Dense SSE(LLZCN) Dense contact resistance Li (black) (red) Room temperature conductivity measurements of LLCZN ASR = 499 Ω cm 2 80 R Interfacial = 469 Ω /cm 2 -8000 Voltage (mV vs. Li + /Li) -400 40 2 Z" / Ω cm σ b = 5.9x10 -4 S/cm -6000 σ total = 4.9x10 -5 S/cm ASR = 25 Ω cm 2 -200 2 Z" / Ω cm 0 LLCZN with 0 -4000 0 200 400 Z' / Ω cm 2 LLCZN without -40 -2000 No treated 71 µ A/cm 2 σ b = 2.6x10 -4 S/cm Surface treated -80 σ total = 2.6x10 -5 S/cm 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 0 2000 4000 6000 8000 Time (min) 2 Z' / Ω cm

Solid State Li Battery (SSLiB) Surface treatment of SSE to improve lithium contact 150 um thick Surface treatment Li dramatically reduces Dense SSE(LLZCN) Dense contact resistance Li (black) (red) Room temperature conductivity measurements of LLCZN ASR = 499 Ω cm 2 80 R Interfacial = 469 Ω /cm 2 -8000 Voltage (mV vs. Li + /Li) -400 40 2 Z" / Ω cm σ b = 5.9x10 -4 S/cm -6000 σ total = 4.9x10 -5 S/cm ASR = 25 Ω cm 2 -200 2 Z" / Ω cm 0 R Interfacial within LLCZN with 0 -4000 measurement error 0 200 400 Z' / Ω cm 2 is 0 Ω /cm 2 LLCZN without -40 -2000 No treated 71 µ A/cm 2 σ b = 2.6x10 -4 S/cm Surface treated -80 σ total = 2.6x10 -5 S/cm 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 0 2000 4000 6000 8000 Time (min) 2 Z' / Ω cm

Solid State Li Battery (SSLiB) Planar symmetric cell fast cycling with surface treatment Cycling at 3 mA/cm 2 , R ASR = 30 ohm·cm 2 Stable plating/ 550 hours, still running stripping cycling No degradation or performance decay 0.10 0.05 40 min 0.00 40 min -0.05 -0.10 533 534 Time (h)

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

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