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Phase transformation and microstructural evolution of CuS electrodes in solid-state batteries probed by in situ 3D X-ray tomography

  • Copper sulfide shows some unique physico-chemical properties that make it appealing as a cathode active material (CAM) for solid-state batteries (SSBs). The most peculiar feature of the electrode reaction is the reversible formation of μm-sized Cu crystals during cycling, despite its large theoretical volume change (75%). Here, the dynamic microstructural evolution of CuS cathodes in SSBs is studied using in situ synchrotron X-ray tomography. The formation of μm-sized Cu within the CAM particles can be clearly followed. This process is accompanied by crack formation that can be prevented by increasing the stack pressure from 26 to 40 MPa. Both the Cu inclusions and cracks show a preferential orientation perpendicular to the cell stack pressure, which can be a result of a z-oriented expansion of the CAM particles during lithiation. In addition, cycling leads to a z-oriented reversible displacement of the cathode pellet, which is linked to the plating/stripping of the Li counterCopper sulfide shows some unique physico-chemical properties that make it appealing as a cathode active material (CAM) for solid-state batteries (SSBs). The most peculiar feature of the electrode reaction is the reversible formation of μm-sized Cu crystals during cycling, despite its large theoretical volume change (75%). Here, the dynamic microstructural evolution of CuS cathodes in SSBs is studied using in situ synchrotron X-ray tomography. The formation of μm-sized Cu within the CAM particles can be clearly followed. This process is accompanied by crack formation that can be prevented by increasing the stack pressure from 26 to 40 MPa. Both the Cu inclusions and cracks show a preferential orientation perpendicular to the cell stack pressure, which can be a result of a z-oriented expansion of the CAM particles during lithiation. In addition, cycling leads to a z-oriented reversible displacement of the cathode pellet, which is linked to the plating/stripping of the Li counter electrode. The pronounced structural changes cause pressure changes of up to 6 MPa within the cell, as determined by operando stack pressure measurements. Reasons for the reversibility of the electrode reaction are discussed and are attributed to the favorable combination of soft materials.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Z. Zhang, K. Dong, K. A. Mazzio, A. Hilger, Henning MarkötterORCiD, F. Wilde, T. Heinemann, I. Manke, P. Adelhelm
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Advanced Energy Materials
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:8 Zerstörungsfreie Prüfung
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.5 Röntgenbildgebung
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley VHC-Verlag
Ausgabe/Heft:2203143
Erste Seite:1
Letzte Seite:12
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Copper sulfide; Crack evolution; Digital volume correlation; Phase transformation; Solid-state batteries
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
DOI:10.1002/aenm.202203143
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-564577
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:05.12.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:20.02.2023
Paper des Monats:Ja
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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