Investigadores de la Universidad Tecnológica de Toyohashi han fabricado con éxito una película gruesa de cátodo de trivanadato de litio LVO en un electrolito sólido de óxido de tipo granate usando el método de deposición de aerosol. La película gruesa de cátodo LVO fabricada en el electrolito sólido mostró un gran reversiblecapacidad de carga y descarga de hasta 300 mAh / gy una buena estabilidad de ciclo a 100 ºC. Este hallazgo puede contribuir a la realización de baterías de litio de estado sólido a base de óxido altamente seguras y químicamente estables. Los resultados de la investigación se informaron en Materiales el 1 de septiembre de 2018.
Las baterías recargables de iones de litio LiB se han utilizado ampliamente a nivel mundial como fuente de energía para dispositivos electrónicos móviles como teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras portátiles debido a su alta densidad de energía y buen rendimiento de ciclismo. Recientemente, el desarrollo deLos LiB de mediana y gran escala se han acelerado para su uso en propulsión automotriz y nivelación de carga estacionaria para la generación de energía intermitente a partir de energía solar o eólica. Sin embargo, un tamaño de batería más grande causa problemas de seguridad más graves en las LIB; una de las razones principales esla mayor cantidad de electrolitos líquidos orgánicos inflamables.
Se espera que los LiB de estado sólido completo con conductores de iones de litio inorgánicos no inflamables Li + como electrolitos sólidos SE sean la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de energía debido a su alta densidad de energía, seguridad y confiabilidad. Los materiales SEdeben tener no solo una alta conductividad de iones de litio a temperatura ambiente, sino también deformabilidad y estabilidad química.Los materiales SE a base de óxido tienen una conductividad relativamente baja y una baja deformabilidad en comparación con los basados en sulfuro; sin embargo, tienen otras ventajas como la estabilidad químicay facilidad de manejo.
El óxido conductor de Li + rápido tipo granate, Li7-xLa3Zr2-xTaxO12 x = 0.4-0.5, LLZTO, se considera un buen candidato para SE debido a su buena propiedad de conducción iónica y alta estabilidad electroquímica.La sinterización de temperatura a 1000-1200 ºC es generalmente necesaria para la densificación, y esta temperatura es demasiado alta para suprimir la reacción secundaria no deseada en la interfaz entre el SE y la mayoría de los materiales de los electrodos. Por lo tanto, actualmente hay materiales de electrodos limitados que pueden usarse parabaterías de estado sólido con SE de tipo granate desarrolladas por el proceso de co-sinterización.
Ryoji Inada y sus colegas del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica, Universidad de Tecnología de Toyohashi, lograron fabricar un cátodo de película gruesa de trivanadato de litio LiV3O8, LVO en LLZTO de tipo granate utilizando la deposición de aerosol ADmétodo. Todas las muestras de células en estado sólido se prepararon y probaron usando el compuesto fabricado.
Se sabe que el método AD es un proceso de fabricación de película a temperatura ambiente, que utiliza la consolidación por impacto de partículas cerámicas sobre un sustrato. Al controlar el tamaño y la morfología de las partículas, se pueden fabricar películas gruesas cerámicas densas en varios sustratos sintratamiento térmico. Esta característica es atractiva en la fabricación de baterías de estado sólido a base de óxido porque se pueden seleccionar y formar diversos materiales activos de electrodo en SE sin tratamiento térmico.
LVO se ha estudiado en profundidad como material de cátodo para baterías a base de Li debido a su gran capacidad de almacenamiento de Li + de aproximadamente 300 mAh / g. Sin embargo, la viabilidad de LVO como cátodo para baterías de estado sólido aún no se ha investigadoLa reacción de LVO se inicia en el proceso de descarga es decir, inserción de Li +, que difiere de la de otros materiales de cátodos convencionales de LiB como LiCoO2, LiMn2O4 y LiFePO4. Por lo tanto, los ánodos de grafito, que se usan ampliamente en los LiB actuales,son difíciles de usar en baterías con cátodos LVO. En baterías de estado sólido con SE de tipo granate, los electrodos de metal de Li pueden usarse potencialmente como ánodos; por lo tanto, LVO se convertiría en un candidato atractivo para cátodos de alta capacidad.
Para fabricar una película de LVO densa en un gránulo LLZTO, el tamaño de las partículas de LVO se controló mediante molienda de bolas. Como resultado, una película gruesa de LVO con un espesor de 5-6 μm se fabricó con éxito en LLZTO a temperatura ambienteLa densidad relativa de la película gruesa de LVO fue aproximadamente del 85%. Para la caracterización electroquímica de la película gruesa de LVO como un cátodo, se fijó una lámina de metal de Li en la cara del extremo opuesto del gránulo LLZTO como un ánodo para formar un LVO / LLZTO/ Celda de estado sólido estructurada con Li. La carga galvanostatica extracción de Li + de LVO y las propiedades de descarga inserción de Li + en LVO en una celda de estado sólido LVO / LLZTO / Li se midieron a 50 y 100 ºC.
Aunque la polarización fue considerablemente grande a 50 ºC, se confirmó una capacidad reversible de aproximadamente 100 mAh / g. Con un aumento de temperatura a 100 ºC, la polarización se redujo y la capacidad aumentó significativamente a 300 mAh / g en una celda promediadavoltaje de aproximadamente 2.5 V; este es un comportamiento típico de un electrodo LVO observado en un electrolito líquido orgánico. Además, confirmamos que las reacciones de carga y descarga en la celda de estado sólido se ciclan de manera estable a varias densidades de corriente.atribuido a la fuerte adhesión entre la película LVO fabricada a través de la consolidación de impacto y las partículas LLZTO y LVO en la película.
Estos resultados indican que LVO puede usarse potencialmente como un cátodo de alta capacidad en una batería de estado sólido a base de óxido con alta seguridad y estabilidad química, a pesar de que se necesita investigación adicional para mejorar el rendimiento. Los investigadores han llevado a cabo más estudiospara realizar baterías de estado sólido a base de óxido a temperaturas de funcionamiento más bajas.
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Materiales proporcionados por Universidad de Tecnología de Toyohashi . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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