• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Katodtillverkning för oxid solid-state batterier vid rumstemperatur

    SEM-bild av en bruten tvärsnittsyta av LVO-elektroden tillverkad på LLZTO-granat av AD. Motsvarande elementära kartläggning för V, La, och Zr visas också. Upphovsman:Toyohashi University of Technology

    Forskare vid Toyohashi University of Technology har framgångsrikt tillverkat en litiumtrivanadat (LVO) katodtjock film på en fast elektrolyt av granat-typ med hjälp av aerosolavsättningsmetoden. LVO-katodtjockfilmen tillverkad på den fasta elektrolyten visade en stor reversibel laddnings- och urladdningskapacitet så hög som 300 mAh/g och en bra cykelstabilitet vid 100 ºC. Denna upptäckt kan bidra till förverkligandet av mycket säkra och kemiskt stabila oxidbaserade litiumbatterier i helt tillstånd. Forskningsresultaten rapporterades i Material den 1 september, 2018.

    Laddningsbara litiumjonbatterier (LiB) har använts i stor utsträckning globalt som en strömkälla för mobila elektroniska enheter som smarttelefoner, tabletter, och bärbara datorer på grund av deras höga energitäthet och goda cykelprestanda. Nyligen, utvecklingen av mellan- och storskaliga LiB har accelererats för användning i fordonsdrivning och stationär lastutjämning för intermittent elproduktion från sol- eller vindkraft. Dock, en större batteristorlek orsakar allvarligare säkerhetsproblem i LIB:er; en av huvudorsakerna är den ökade mängden brandfarliga organiska flytande elektrolyter.

    Helstatliga LiB med obrännbara oorganiska Li-jon (Li+) ledare som fasta elektrolyter (SE) förväntas bli nästa generation av energilagringsenheter på grund av deras höga energitäthet, säkerhet, och tillförlitlighet. SE-materialen måste inte bara ha hög litiumjonledningsförmåga vid rumstemperatur, men också deformerbarhet och kemisk stabilitet. Oxidbaserade SE-material har en relativt låg konduktivitet och dålig deformerbarhet jämfört med sulfidbaserade; dock, de har andra fördelar som kemisk stabilitet och enkel hantering.

    Jämförelse av de galvanostatiska laddnings- och urladdningskurvorna för LVO/LLZTO/Li-tillståndscell vid 50 och 100 ºC. Mätningarna vid varje temperatur upprepas i fem cykler. Upphovsman:Toyohashi University of Technology

    Granat-typen av snabb Li+ -ledande oxid, Li7-xLa 3 Zr 2-x TaxO 12 (x =0,4-0,5, LLZTO), anses vara en bra kandidat för SE på grund av dess goda jonledande egenskap och höga elektrokemiska stabilitet. Dock, sintring vid hög temperatur vid 1000-1200 ºC behövs generellt för förtätning, och denna temperatur är för hög för att undertrycka den oönskade sidreaktionen vid gränsytan mellan SE och majoriteten av elektrodmaterial. Därför, det finns för närvarande begränsade elektrodmaterial som kan användas för halvledarbatterier med granat-typ SE som utvecklats av samsintringsprocessen.

    Ryoji Inada och hans kollegor vid Institutionen för elektrisk och elektronisk informationsteknik, Toyohashi tekniska universitet, lyckades tillverka ett litiumtrivanadat (LiV 3 O 8 , LVO) tjockfilmskatod på granat-typ LLZTO med hjälp av aerosolavsättningsmetoden (AD). Helprovscellprover bereddes och testades med användning av den tillverkade kompositen.

    AD-metoden är känd för att vara en film-tillverkningsprocess vid rumstemperatur, som använder slagkonsolidering av keramiska partiklar på ett substrat. Genom att kontrollera partikelstorleken och morfologin, täta keramiska tjocka filmer kan tillverkas på olika underlag utan värmebehandling. Denna funktion är attraktiv vid tillverkning av oxidbaserade halvledarbatterier eftersom olika elektrodaktiva material kan väljas och bildas på SE utan värmebehandling.

    Cykelprestanda för LVO/LLZTO/Li solid state-cell vid 100 ºC och olika strömtätheter från 0,015 till 0,240 mA/cm2. Upphovsman:Toyohashi University of Technology

    LVO har länge studerats som ett katodmaterial för Li-baserade batterier på grund av dess stora Li+ lagringskapacitet på cirka 300 mAh/g. Dock, genomförbarheten av LVO som katod för halvledarbatterier har ännu inte undersökts. Reaktionen av LVO initieras vid urladdningen (dvs. Li+ infogning) process, som skiljer sig från det för andra konventionella katodmaterial hos LiB, såsom LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , och LiFePO 4 . Därför, grafitanoder, som används i stor utsträckning i nuvarande LiB, är svåra att använda i batterier med LVO -katoder. I solid-state batterier med granat-typ SE, Li metallelektroder kan eventuellt användas som anoder; Således, LVO skulle bli en attraktiv kandidat för katoder med hög kapacitet.

    För att tillverka en tät LVO -film på en LLZTO -pellet, storleken på LVO-partiklarna kontrollerades genom kulfräsning. Som ett resultat, en LVO-tjock film med en tjocklek av 5-6 µm tillverkades framgångsrikt på LLZTO vid rumstemperatur. Den relativa densiteten för den tjocka LVO -filmen var cirka 85 procent. För elektrokemisk karakterisering av LVO -tjocka filmen som katod, Li-metallfolie fästes på den motsatta ändytan av LLZTO-pelleten som en anod för att bilda en LVO/LLZTO/Li-strukturerad solid state-cell. Den galvanostatiska laddningen (Li+ extraktion från LVO) och urladdning (Li+ införande i LVO) egenskaper i en LVO/LLZTO/Li hel-solid-state-cell mättes vid 50 och 100 ºC.

    Även om polarisationen var avsevärt stor vid 50 ºC, en reversibel kapacitet på cirka 100 mAh/g bekräftades. Med en temperaturökning till 100 ºC, polarisationen minskade och kapaciteten ökade betydligt till 300 mAh/g vid en genomsnittlig cellspänning på cirka 2,5 V; detta är ett typiskt beteende för en LVO -elektrod observerad i en organisk flytande elektrolyt. Dessutom, vi bekräftar att laddnings- och urladdningsreaktionerna i solid-state-cellen cyklas stabilt vid olika strömtätheter. Detta kan hänföras till den starka vidhäftningen mellan LVO -filmen som tillverkas via stötkonsolidering och LLZTO- och LVO -partiklarna i filmen.

    Dessa resultat indikerar att LVO potentiellt kan användas som en högkapacitetskatod i ett oxidbaserat fast batteri med hög säkerhet och kemisk stabilitet, även om ytterligare undersökningar behövs för att förbättra prestandan. Forskare har genomfört ytterligare studier för att realisera oxidbaserade halvledarbatterier vid lägre driftstemperaturer.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com