Onderzoekers van de Toyohashi University of Technology hebben met succes een lithiumtrivanadaat (LVO) kathode dikke film gefabriceerd op een granaat-type oxide vaste elektrolyt met behulp van de aërosolafzettingsmethode. De dikke film van de LVO-kathode die op de vaste elektrolyt is vervaardigd, vertoonde een grote omkeerbare laad- en ontlaadcapaciteit tot wel 300 mAh/g en een goede cyclische stabiliteit bij 100 ºC. Deze bevinding kan bijdragen aan de realisatie van zeer veilige en chemisch stabiele op oxide gebaseerde all-solid-state lithiumbatterijen. De onderzoeksresultaten werden gerapporteerd in Materialen op 1 sept. 2018.

Oplaadbare lithium-ionbatterijen (LiB's) worden wereldwijd op grote schaal gebruikt als stroombron voor mobiele elektronische apparaten zoals smartphones, tabletten, en laptops vanwege hun hoge energiedichtheid en goede fietsprestaties. Onlangs, de ontwikkeling van middelgrote en grootschalige LiB's is versneld voor gebruik in de voortstuwing van auto's en stationaire load-leveling voor intermitterende stroomopwekking uit zonne- of windenergie. Echter, een groter batterijformaat veroorzaakt ernstigere veiligheidsproblemen in LIB's; een van de belangrijkste redenen is de verhoogde hoeveelheid ontvlambare organische vloeibare elektrolyten.

All-solid-state LiB's met onbrandbare anorganische Li-ion (Li+) geleiders als vaste elektrolyten (SE) zullen naar verwachting de volgende generatie energieopslagapparaten zijn vanwege hun hoge energiedichtheid, veiligheid, en betrouwbaarheid. De SE-materialen moeten niet alleen een hoge lithium-iongeleidbaarheid hebben bij kamertemperatuur, maar ook vervormbaarheid en chemische stabiliteit. Op oxide gebaseerde SE-materialen hebben een relatief lage geleidbaarheid en slechte vervormbaarheid in vergelijking met op sulfide gebaseerde materialen; echter, ze hebben andere voordelen zoals chemische stabiliteit en gebruiksgemak.

Het granaat-type snel Li+ geleidend oxide, Li7-xLa ₃ Zr _2-x belastingO ₁₂ (x =0,4-0,5, LLZTO), wordt beschouwd als een goede kandidaat voor SE vanwege zijn goede ionengeleidende eigenschap en hoge elektrochemische stabiliteit. Echter, sinteren op hoge temperatuur bij 1000-1200 ºC is over het algemeen nodig voor verdichting, en deze temperatuur is te hoog om de ongewenste nevenreactie op het grensvlak tussen SE en de meeste elektrodematerialen te onderdrukken. Daarom, er zijn momenteel beperkte elektrodematerialen die kunnen worden gebruikt voor solid-state batterijen met SE's van het granaattype die zijn ontwikkeld door het co-sinterproces.

Ryoji Inada en zijn collega's van de afdeling Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi-universiteit voor technologie, erin geslaagd een lithiumtrivanadaat (LiV ₃ O ₈ , LVO) dikke-film kathode op granaat-type LLZTO met behulp van de aërosolafzetting (AD)-methode. All-solid-state celmonsters werden bereid en getest met behulp van de gefabriceerde composiet.

Van de AD-methode is bekend dat het een filmfabricageproces bij kamertemperatuur is, die gebruikmaakt van de impact-consolidatie van keramische deeltjes op een substraat. Door de deeltjesgrootte en morfologie te regelen, dichte keramische dikke films kunnen op verschillende ondergronden worden vervaardigd zonder thermische behandeling. Dit kenmerk is aantrekkelijk bij de fabricage van op oxide gebaseerde vastestofbatterijen omdat verschillende actieve materialen voor elektrodes kunnen worden geselecteerd en gevormd op SE zonder thermische behandeling.

LVO is uitvoerig onderzocht als kathodemateriaal voor op Li-gebaseerde batterijen vanwege de grote Li+-opslagcapaciteit van ongeveer 300 mAh/g. Echter, de haalbaarheid van LVO als kathode voor vastestofbatterijen is nog niet onderzocht. De reactie van LVO begint bij het ontladen (d.w.z. Li+ inbrengen) proces, die verschilt van die van andere conventionele kathodematerialen van LiB's zoals LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , en LiFePO ₄ . Daarom, grafiet anoden, die veel worden gebruikt in de huidige LiB's, zijn moeilijk te gebruiken in batterijen met LVO-kathoden. In solid-state batterijen met SE's van het granaattype, Li-metaalelektroden kunnen mogelijk als anoden worden gebruikt; dus, LVO zou een aantrekkelijke kandidaat worden voor kathoden met hoge capaciteit.

Om een ​​dichte LVO-film op een LLZTO-pellet te fabriceren, de grootte van de LVO-deeltjes werd gecontroleerd door kogelmalen. Als resultaat, een LVO dikke film met een dikte van 5-6 m werd succesvol gefabriceerd op LLZTO bij kamertemperatuur. De relatieve dichtheid van de LVO dikke film was ongeveer 85 procent. Voor de elektrochemische karakterisering van de LVO dikke film als kathode, Li-metaalfolie werd als anode op het tegenoverliggende eindvlak van de LLZTO-pellet bevestigd om een ​​LVO/LLZTO/Li-gestructureerde vaste-stofcel te vormen. De eigenschappen van galvanostatische lading (Li+ extractie uit LVO) en ontlading (Li+ insertie in LVO) in een LVO/LLZTO/Li all-solid-state cel werden gemeten bij 50 en 100 ºC.

Hoewel de polarisatie bij 50 ºC behoorlijk groot was, een omkeerbare capaciteit van ongeveer 100 mAh/g werd bevestigd. Bij een temperatuurstijging tot 100 ºC, de polarisatie nam af en de capaciteit nam significant toe tot 300 mAh/g bij een gemiddelde celspanning van ongeveer 2,5 V; dit is een typisch gedrag van een LVO-elektrode die wordt waargenomen in een organische vloeibare elektrolyt. In aanvulling, we bevestigen dat de ladings- en ontladingsreacties in de vaste-stofcel stabiel verlopen bij verschillende stroomdichtheden. Dit kan worden toegeschreven aan de sterke hechting tussen de LVO-film vervaardigd via impactconsolidatie en de LLZTO- en LVO-deeltjes in de film.

Deze resultaten geven aan dat LVO mogelijk kan worden gebruikt als kathode met hoge capaciteit in een op oxide gebaseerde vastestofbatterij met hoge veiligheid en chemische stabiliteit, hoewel aanvullend onderzoek nodig is om de prestaties te verbeteren. Onderzoekers hebben verder onderzoek gedaan om op oxide gebaseerde solid-state batterijen bij lagere bedrijfstemperaturen te realiseren.