(A) study on the control of lithium deposition behavior in anode-less all-solid-state batteries via interfacial design

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Developing Anode-less All-Solid-State Batteries (ASSBs) requires achieving uniform Li nucleation, stable interfacial contact, and suppressed volume expansion during cycling. In this work, an In2O3-Graphite composite layer is proposed as a seed-embedded anode framework that enables controlled Li deposition within internal pore channels rather than on the electrode surface. The composite, prepared via mechanochemical embedding, exhibits a compact architecture in which In2O3 particles are uniformly anchored along graphite pores, forming interconnected mesoporous pathways that function as Li storage sites. Cross-sectional FIB-SEM analysis reveals that Li is accommodated within the host structure while mitigating electrode swelling even at high deposition capacities, confirming the effectiveness of the spatially confined Li storage system. XRD and XPS analyses demonstrate that In2O3 undergoes complete conversion to metallic In and subsequently forms lithiophilic Li-In intermetallic phases, which provide energetically favorable nucleation sites and promote homogeneous Li+ transport. Cyclic voltammetry and GITT measurements were employed to elucidate the Li storage mechanism and to confirm the formation of effective Li+ diffusion channels within the In2O3-Graphite framework. The results confirm that Li storage proceeds through a conversion-alloying mechanism, with establishes continuous Li+ transport channels accompanied by enhanced ionic diffusivity and suppressed staging-related polarization. Electrochemical testing of Li|SE| In2O3-Graphite half cell shows a reduced nucleation overpotential and markedly improved cycling stability relative to bare graphite electrode. When applied to full cell configurations with NCM811 cathodes, the seed-embedded structure enables stable long-term cycling at 0.33 C and 0.5 C, with Coulombic efficiencies exceeding 99.7 %. The electrode also delivers robust rate capability and maintains stable operation over 392 cycles at 1.0 C under 5.36 mA cm-2. Overall, the In2O3-Graphite composite provides a structurally integrated, kinetically favorable platform for anode-less all-solid-state batteries by combining lithiophilic alloy chemistry, porous carbon conduction pathways, and internal Li deposition behavior. These results present a practical route toward high energy, reliably cyclable anode-less all-solid-state batteries.

국문 초록 (Abstract)

무음극 전고체전지를 구현하기 위해서는 균일한 리튬 핵생성, 안정적인 계면 접촉, 그리고 충·방전 과정에서의 부피 팽창 억제가 필수적이다. 본 연구에서는 인듐 산화물-그라파이트 복합체를 이용한 계면 설계에 기반하여 리튬이 전극 표면이 아닌 내부 기공 채널로 유도되어 전착되도록 하는 새로운 전극 설계 전략을 제시한다. 기계화학적 합성으로 제조된 복합체는 인듐 산화물 입자가 그라파이트 기공을 따라 균일하게 고정된 치밀한 구조를 형성하며, 이는 상호 연결된 메조기공 네트워크를 통해 리튬 수용 공간 및 전도 경로로 기능한다. 단면 FIB-SEM 분석 결과, 높은 리튬 전착 용량 조건에서도 리튬이 전극 내부에 점진적으로 채워지며 전극 두께 증가가 제한적임이 확인되었고, 이를 통해 전극 내부 침투 기반 전착 메커니즘의 유효성이 입증되었다. XRD 및 XPS 분석에서는 인듐 산화물이 완전히 환원된 뒤 리튬과 합금화 되어 리튬 친화적 리튬-인듐 상을 형성함을 확인하였다. 이러한 합금 상은 초기 핵생성 장벽을 낮추고 균일한 리튬이온 수송을 유도하는 전기화학적으로 활성화된 핵생성 사이트로 작용한다. 순환 전압전류법과 GITT 분석은 변환-합금화 기반 저장 메커니즘을 뒷받침하였고, 이에 따라 리튬 이온 확산 계수가 향상되고 분극이 억제되는 경향이 확인되었다. Li|SE|In2O3-Graphite 하프셀 평가에서는 graphite 대비 낮은 핵생성 과전압과 우수한 사이클 안정성을 나타내었다. NCM811 양극을 적용한 전고체 풀셀에서도 0.33 C 및 0.5 C 조건에서 99.7% 이상의 높은 쿨롱 효율과 안정적인 장기 사이클 성능을 구현하였다. 또한 5.36 mA cm-2 조건의 1.0 C 고전류밀도 환경에서도 392 사이클 이상 안정적으로 작동하며 우수한 율속 특성을 보여 주었다. 종합적으로, 인듐 산화물-그라파이트 복합체는 리튬 친화적 합금, 도전성 탄소 기반 기공 네트워크, 그리고 내부 전착 메커니즘이 결합된 구조로서, 무음극 전고체전지에 요구되는 구조적 안정성 및 전기화학적 반응 동역학을 동시에 만족시키는 전극 플랫폼으로 작용한다. 본 연구는 고에너지, 고안정성 무음극 전지 상용화를 위한 실질적 재료 설계 방향을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Challenges of Lithium Metal Anodes 3
• 1.3. Principle and Development of All-Solid-State Batteries 6
• 1.4. Anode-less All-Solid-State Batteries with Interfacial Challenges 8
• 1.5. Research overview on stable and uniform Li deposition 10
• Chapter 2. Experimental methods 12
• 2.1. Preparation of In2O3-Graphite composite 12
• 2.2. Preparation of the electrodes 14
• 2.3. Fabrication of Anode-less All-Solid-State Batteries 15
• 2.4. Characterization of materials 17
• 2.5. Electrochemical characterization 18
• Chapter 3. Results and discussion 20
• 3.1. Structural characteristics of the In2O3-Graphite composite 20
• 3.2. Effect of seed-embedded structure on Li deposition behavior 24
• 3.3. Li+ Diffusion and Interfacial Reaction of the Seed-Embedded structure 32
• 3.4. Electrochemical performance of ALASSB with In2O3-Graphite layer 42
• Chapter 4. Conclusion 48
• References 50
• 논문요약 54