Katodefremstilling til oxid-solid-state-batterier ved stuetemperatur

Forskere ved Toyohashi University of Technology har med succes fremstillet en lithium-trivanadat (LVO) katodtyk film på en fast elektrolyt af granat-type ved hjælp af aerosolaflejringsmetoden. LVO-katodens tykke film fremstillet på den faste elektrolyt viste en stor reversibel ladnings- og afladningskapacitet så høj som 300 mAh/g og en god cykelstabilitet ved 100 ºC. Dette fund kan bidrage til realiseringen af ​​meget sikre og kemisk stabile oxidbaserede litiumbatterier med fuld solid state. Forskningsresultaterne blev rapporteret i Materialer den 1. september, 2018.

Genopladelige lithium-ion-batterier (LiB'er) er blevet udbredt globalt som en strømkilde til mobile elektroniske enheder som f.eks. tabletter, og bærbare computere på grund af deres høje energitæthed og gode cykelydelse. For nylig, udviklingen af ​​mellemstore og store LiB'er er blevet fremskyndet til brug i bilfremdrivning og stationær belastningsudjævning til intermitterende elproduktion fra sol- eller vindenergi. Imidlertid, en større batteristørrelse forårsager mere alvorlige sikkerhedsproblemer i LIB'er; en af ​​hovedårsagerne er den øgede mængde af brandfarlige organiske flydende elektrolytter.

Hel-solid-state LiB'er med ikke-brandfarlige uorganiske Li-ion (Li+) ledere som faste elektrolytter (SE) forventes at blive den næste generation af energilagringsenheder på grund af deres høje energitæthed, sikkerhed, og pålidelighed. SE-materialerne skal ikke kun have høj lithium-ion-ledningsevne ved stuetemperatur, men også deformerbarhed og kemisk stabilitet. Oxidbaserede SE-materialer har en relativt lav ledningsevne og ringe deformerbarhed sammenlignet med sulfidbaserede; imidlertid, de har andre fordele såsom kemisk stabilitet og brugervenlighed.

Granat-typen hurtigt Li+ ledende oxid, Li7-xLa ₃ Zr _2-x TaxO ₁₂ (x =0,4-0,5, LLZTO), betragtes som en god kandidat til SE på grund af dets gode ioniske ledende egenskab og høje elektrokemiske stabilitet. Imidlertid, sintring ved høj temperatur ved 1000-1200 ºC er generelt nødvendig for fortætning, og denne temperatur er for høj til at undertrykke den uønskede sidereaktion ved grænsefladen mellem SE og størstedelen af ​​elektrodematerialer. Derfor, der er i øjeblikket begrænsede elektrodematerialer, der kan bruges til solid-state batterier med granat-type SE'er, der er udviklet af samsinteringsprocessen.

Ryoji Inada og hans kolleger på Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik, Toyohashi University of Technology, lykkedes at fremstille et lithium -trivanadat (LiV ₃ O ₈ , LVO) tykfilmskatode på granat-type LLZTO ved hjælp af aerosolaflejringsmetoden (AD). Alle-solid-state celleprøver blev fremstillet og testet ved anvendelse af den fremstillede komposit.

AD-metoden er kendt for at være en film-fremstillingsproces ved stuetemperatur, som anvender slagkonsolidering af keramiske partikler på et substrat. Ved at kontrollere partikelstørrelsen og morfologien, tætte keramiske tykke film kan fremstilles på forskellige underlag uden termisk behandling. Denne funktion er attraktiv ved fremstilling af oxidbaserede solid-state-batterier, fordi forskellige elektrodeaktive materialer kan vælges og dannes på SE uden termisk behandling.

LVO er længe blevet undersøgt som et katodemateriale til Li-baserede batterier på grund af dets store Li+ lagerkapacitet på cirka 300 mAh/g. Imidlertid, gennemførligheden af ​​LVO som katode for solid-state batterier er endnu ikke undersøgt. Reaktionen af ​​LVO starter ved udladningen (dvs. Li+ indsættelse) proces, som adskiller sig fra andre konventionelle katodematerialer i LiB'er, såsom LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , og LiFePO ₄ . Derfor, grafitanoder, som er meget udbredt i nuværende LiB'er, er vanskelige at bruge i batterier med LVO katoder. I solid-state batterier med granat-type SE'er, Li metalelektroder kan muligvis bruges som anoder; dermed, LVO ville blive en attraktiv kandidat til katoder med høj kapacitet.

For at fremstille en tæt LVO film på en LLZTO pellet, størrelsen af ​​LVO-partiklerne blev kontrolleret ved kuglemaling. Som resultat, en LVO tyk film med en tykkelse på 5-6 um blev med succes fremstillet på LLZTO ved stuetemperatur. Den relative densitet af den LVO tykke film var ca. 85 procent. Til den elektrokemiske karakterisering af den LVO tykke film som en katode, Li metalfolie blev fastgjort på den modsatte endeflade af LLZTO-pelleten som en anode til dannelse af en LVO/LLZTO/Li-struktureret solid-state-celle. Den galvanostatiske ladning (Li+ ekstraktion fra LVO) og afladning (Li+ indsættelse i LVO) egenskaber i en LVO/LLZTO/Li hel-solid-state-celle blev målt til 50 og 100 ºC.

Selvom polarisationen var betydeligt stor ved 50 ºC, en reversibel kapacitet på cirka 100 mAh/g blev bekræftet. Med en stigning i temperaturen til 100 ºC, polarisationen reduceret og kapaciteten steg betydeligt til 300 mAh/g ved en gennemsnitlig cellespænding på cirka 2,5 V; dette er en typisk adfærd for en LVO -elektrode observeret i en organisk flydende elektrolyt. Ud over, vi bekræfter, at ladnings- og udladningsreaktionerne i solid-state-cellen er cyklet stabilt ved forskellige strømtætheder. Dette kan tilskrives den stærke vedhæftning mellem LVO -filmen fremstillet via slagkonsolidering og LLZTO- og LVO -partiklerne i filmen.

Disse resultater indikerer, at LVO potentielt kan bruges som en katode med høj kapacitet i et oxidbaseret solid-state batteri med høj sikkerhed og kemisk stabilitet, selvom der er behov for yderligere undersøgelser for at forbedre ydeevnen. Forskere har udført yderligere undersøgelser for at realisere oxidbaserede solid-state-batterier ved lavere driftstemperaturer.