Synthesis and characterization of LLZTO solid electrolyte via  the solid-state ball-milling method

A. Tugelbayeva; F. Sultanov; B. Tatykayev; A. Belgibayeva; Z. Shalabayev; E. Nurgaziyeva

doi:10.18321/cpc23(2)163-171

Авторлар

А. Тугелбаева National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан
Ф. Сұлтанов National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан; Аккумуляторлар институты, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан
Б. Татықаев National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан
А. Белгібаева National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан
Ж. Шалабаев National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан
Э. Нұрғазиева National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д-лы 53, Астана, Қазақстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(2)163-171

Кілт сөздер:

қатты электролит, LLZTO, иондық өткізгіштік, гранат түрі, рентгендік дифракция, СЭМ

Аңдатпа

Электрондық құрылғылар мен энергия сақтау жүйелерінің жылдам дамуы қауіпсіз, берік және жоғары өнімді батарея компоненттерін әзірлеуді талап етеді. Бұл саладағы негізгі мәселелердің бірі жанғыш сұйық электролиттерді тұрақты және сенімді бейорганикалық қатты электролиттермен ауыстыру болып табылады. Әртүрлі кандидаттар арасында гранат типті литий лантан цирконий тантал оксиді (LLZTO) тамаша химиялық тұрақтылығы мен жоғары иондық өткізгіштігінің арқасында перспективалы материал ретінде пайда болды. Бұл зерттеуде біз қатты күйдегі шарикті фрезерлік әдіспен дайындалған LLZTO қатты электролитінің синтезі мен сипаттамасын ұсынамыз. Дайындалған LLZTO бөлшектердің өлшемдері 3-тен 5 микрометрге дейін болатын жақсы анықталған дән құрылымын көрсетті. Электрохимиялық талдау бөлме температурасында 10⁻⁵ S·cm⁻¹ тәртібінде иондық өткізгіштігін анықтады, бұл оның қатты күйдегі литий-ионды батареяларда қолдану мүмкіндігін көрсетті. Бұл нәтижелер энергияны қауіпсіз және тиімдірек сақтау шешімдерін әзірлеу бойынша үздіксіз күш-жігерге септігін тигізіп, келесі ұрпақ батарея технологияларына жол ашады.

Әдебиеттер тізімі

(1) X. Sun, et al., Technology development of electric vehicles: A review, Energies 13 (2019) 0090. Crossref

(2) A. Prabhakaran, et al., Design and development of an intelligent zone based master electronic control unit for power optimization in electric vehicles, Sci. Rep. 14 (2024) 70580. Crossref

(3) Y. Horowitz, et al., Between Liquid and All Solid: A Prospect on Electrolyte Future in Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles, Energy Technol. 8 (2020) 2000580. Crossref

(4) F. Zheng, et al., Review on solid electrolytes for all-solid-state lithium-ion batteries, J. Power Sources 389 (2018) 198–213. Crossref

(5) S. Kundu, et al., Recent development in the field of ceramics solid-state electrolytes: I–oxide ceramic solid-state electrolytes, J. Solid State Electrochem. 26 (2022) 1809–1838.

(6) N. Tolganbek, et al., Enhancing purity and ionic conductivity of NASICON-typed Li₁.₃Al₀.₃Ti₁.₇(PO₄)₃ solid electrolyte, Ceram. Int. 47 (2021) 18188–18195. Crossref

(7) S. Chen, et al., Sulfide solid electrolytes for all-solid-state lithium batteries: Structure, conductivity, stability and application, Energy Storage Mater. 14 (2018) 58–74. Crossref

(8) S. Wang, et al., Interfacial challenges for all-solid-state batteries based on sulfide solid electrolytes, J. Materiomics 7 (2021) 209–218. Crossref

(9) C. Wang, et al., Garnet-Type Solid-State Electrolytes: Materials, Interfaces and Batteries, Chem. Rev. 120 (2020) 4257–4300. Crossref

(10) J.S. Lv, et al., Modification strategies of Li₇La₃Zr₂O₁₂ ceramic electrolyte for high-performance solid-state batteries, Tungsten 3 (2021) 260–278. Crossref

(11) M. Jia, et al., Comprehensive investigation into garnet electrolytes toward application-oriented solid lithium batteries, Electrochem. Energy Rev. 3 (2020) 656–689. Crossref

(12) Y. Li, et al., Garnet electrolyte with an ultralow interfacial resistance for Li-metal batteries, J. Am. Chem. Soc. 140 (2018) 6448–6455. Crossref

(13) J.M. Weller, et al., Observation of elemental inhomogeneity and its impact on ionic conductivity in Li-conducting garnets prepared with different synthesis methods, Adv. Energy Sustain. Res. 2 (2021) 2000109. Crossref

(14) F. Shen, et al., A simple and highly efficient method toward high-density garnet-type LLZTO solid-state electrolyte, ACS Appl. Mater. Interfaces 12 (2020) 30313–30319. Crossref

(15) W. Guo, et al., Preparation of transparent LLZTO electrolyte and its application in the observation of Li dendrite, Ceram. Int. 48 (2022) 18949–18955. Crossref

(16) H. Zheng, et al., Influence of dry- and wet-milled LLZTO particles on the sintered pellets, J. Am. Ceram. Soc. 106 (2023) 274–284. Crossref

(17) Y. Li, et al., Effect of Al-Mo codoping on the structure and ionic conductivity of sol-gel derived Li₇La₃Zr₂O₁₂ ceramics, Ionics 24 (2018) 3305–3315. Crossref

(18) J.M. Weller, et al., Nonaqueous polymer combustion synthesis of cubic Li₇La₃Zr₂O₁₂ nanopowders, ACS Appl. Mater. Interfaces 12 (2020) 953–962. Crossref

(19) S. Ramakumar, et al., Lithium garnets: Synthesis, structure, Li⁺ conductivity, Li⁺ dynamics and applications, Prog. Mater. Sci. 88 (2017) 325–411. Crossref

(20) X. Huang, et al., Preparation of dense Ta-LLZO/MgO composite Li-ion solid electrolyte: Sintering, microstructure, performance and the role of MgO. J. Energy Chem. 39 (2019) 8–16. Crossref

(21) E. Il’ina. et al., Recent Strategies for Lithium-Ion Conductivity Improvement in Li₇La₃Zr₂O₁₂ Solid Electrolytes. Int. J. Mol. Sci. 24 (2023) 12905. Crossref

(22) Z. Wang, et al., Synthesis of lithium garnet oxides of the compositions series Li₇₋ₓLa₃Zr₂₋ₓTaₓO₁₂. J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 32 (2017) 1261–1264. Crossref

(23) R. Inada, et al., Synthesis and properties of Al-free Li₇₋ₓLa₃Zr₂₋ₓTaₓO₁₂ garnet related oxides. Solid State Ion. 262 (2014) 568–572. Crossref

(24) H. Yang, et al., Ionic conductivity and ion transport mechanisms of solid-state lithium-ion battery electrolytes: A review. Energy Sci. Eng. 10 (2022) 1643–1671. Crossref

(25) T. Alam, et al., Review on Impurity and Conductivity Issues of Garnet Type Li₇La₃Zr₂O₁₂: Mechanisms, Solutions, and Perspectives. Energy Fuels 37 (2023) 15267–15282. Crossref

(26) Z. Zhang, et al., An all-solid-state lithium battery using the Li₇La₃Zr₂O₁₂ and Li₆.₇La₃Zr₁.₇Ta₀.₃O₁₂ ceramic enhanced polyethylene oxide electrolytes with superior electrochemical performance. Ceram. Int. 46 (2020) 11397–11405. Crossref

(27) S. Wang, et al., Optimized Lithium Ion Coordination via Chlorine Substitution to Enhance Ionic Conductivity of Garnet-Based Solid Electrolytes. Small 20 (2024) 2309874. Crossref

(28) Y. Gong, et al., Effect of sintering process on the microstructure and ionic conductivity of Li₇₋ₓLa₃Zr₂₋ₓTaₓO₁₂ ceramics. Ceram. Int. 45 (2019) 18439–18444. Crossref

(29) A.Y. Sang, et al., Preparation and Characterization of Ta-substituted Li₇La₃Zr₂₋ₓO₁₂ Garnet Solid Electrolyte by Sol-Gel Processing. J. Korean Ceram. Soc. 54 (2017) 332–339. Crossref