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在室温下制造氧化物固态电池的阴极

[2019-10-09 21:03:37] 来源:本站 编辑:小编 点击量:
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导读:丰桥技术大学的研究人员利用气溶胶沉积法成功地在石榴石型氧化物固体电解质上制备了三钒酸锂(LVO)阴极厚膜。在固体电解质上制造的LVO阴极厚膜显示出大的可逆充电和放电容量高达300mAh/g,并且在100℃下具有良好的循环稳定性。这一发现可能有助于实现高度安全和化学稳定的氧化物基全固态锂电池。研究结果于2018年9月1日在材料中报道。可再充电锂离子电池(LiB)由于其高能量密度和良好

  丰桥技术大学的研究人员利用气溶胶沉积法成功地在石榴石型氧化物固体电解质上制备了三钒酸锂(LVO)阴极厚膜。在固体电解质上制造的LVO阴极厚膜显示出大的可逆充电和放电容量高达300mAh / g,并且在100℃下具有良好的循环稳定性。这一发现可能有助于实现高度安全和化学稳定的氧化物基全固态锂电池。研究结果于2018年9月1日在材料中报道。

  可再充电锂离子电池(LiB)由于其高能量密度和良好的循环性能而在全球被广泛用作诸如智能电话,平板电脑和膝上型计算机的移动电子设备的电源。最近,中型和大型LiB的开发已被加速用于汽车推进和固定负载均衡,以用于太阳能或风能的间歇发电。然而,更大的电池尺寸会导致LIB中更严重的安全问题; 其中一个主要原因是易燃有机液体电解质的数量增加。

  具有不可燃无机锂离子(Li +)导体作为固体电解质(SE)的全固态LiB由于其高能量密度,安全性和可靠性而有望成为下一代储能装置。SE材料不仅在室温下具有高的锂离子传导性,而且还具有可变形性和化学稳定性。与硫化物基材料相比,氧化物基SE材料具有相对低的导电性和差的可变形性; 然而,它们具有其他优点,例如化学稳定性和易于处理。

  石榴石型快速Li +导电氧化物Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(x=0.4-0.5,LLZTO)由于其良好的离子导电性和高电化学稳定性而被认为是SE的良好候选物。然而,通常需要1000-1200℃的高温烧结来致密化,并且该温度太高而不能抑制SE与大多数电极材料之间界面处的不希望的副反应。因此,目前有限的电极材料可用于具有通过共烧结工艺开发的石榴石型SE的固态电池。

  Ryoji Inada和他在丰桥技术大学电气与电子信息工程系的同事通过使用气溶胶沉积(AD)方法成功地在石榴石型LLZTO上制造三钒酸锂(LiV3O8,LVO)厚膜阴极。制备全固态细胞样品并使用制造的复合材料进行测试。

  已知AD方法是室温膜制造工艺,其使用陶瓷颗粒在基板上的冲击固结。通过控制粒度和形态,可以在各种基材上制造致密的陶瓷厚膜而无需热处理。该特征在氧化物基固态电池的制造中是有吸引力的,因为可以在SE上选择和形成各种电极活性材料而不进行热处理。

  已经长期研究LVO作为锂基电池的阴极材料,因为其Li +存储容量大约为300mAh / g。然而,尚未研究LVO作为固态电池阴极的可行性。LVO的反应在放电(即,Li +插入)过程中开始,其不同于LiB 2的其他常规阴极材料,例如LiCoO 2,LiMn 2 O 4和LiFePO 4。因此,广泛用于电流LiB的石墨阳极难以用于具有LVO阴极的电池中。在具有石榴石型SE的固态电池中,Li金属电极可能用作阳极; 因此,LVO将成为高容量阴极的有吸引力的候选者。

  为了在LLZTO颗粒上制造致密的LVO膜,通过球磨控制LVO颗粒的尺寸。结果,在室温下在LLZTO上成功制造了厚度为5-6μm的LVO厚膜。LVO厚膜的相对密度约为85%。对于作为阴极的LVO厚膜的电化学表征,将Li金属箔附着在LLZTO粒料的相对端面上作为阳极,以形成LVO / LLZTO / Li结构的固态电池。在50和100℃下测量LVO / LLZTO / Li全固态电池中的恒电流充电(从LVO中提取Li +)和放电(Li +插入LVO)性质。

  尽管极化在50℃时相当大,但确认了可逆容量约为100mAh / g。随着温度升高到100oC,在平均电池电压约为2.5 V时,极化率降低,容量显着增加到300 mAh / g; 这是在有机液体电解质中观察到的LVO电极的典型行为。此外,我们确认固态电池中的充电和放电反应在各种电流密度下稳定地循环。这可归因于通过冲击固结制造的LVO膜与膜中的LLZTO和LVO颗粒之间的强粘附性。

  这些结果表明,LVO可以潜在地用作氧化物基固态电池中的高容量阴极,具有高安全性和化学稳定性,即使需要进一步研究以提高性能。研究人员进行了进一步的研究,以在较低的工作温度下实现基于氧化物的固态电池。

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