Sintering and transport properties of Al-LLZO ceramic electrolytes for use in solid-state Li-ion batteries

Abstract

Faststoffelektrolytter blir forsket på som en mulig substitutt til de flytende organiske elektrolyttene som brukes i dagens Li-ion batterier. Bruk av faststoffelektrolytter vil øke batterisikkerheten, og muliggjøre bruk av Li-metall anoder med høy kapasitet. Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) er et lovende materiale, som kan dopes for å oppnå høy ionisk ledningsevne, og som ikke reagerer med Li-metall.

Dette arbeidet fokuserte på LLZO dopet med aluminium, Li₆.₂₅Al₀.₂₅La₃Zr₂O₁₂ (Al-LLZO), produsert med spraypyrolyse på Cerpotech. Tre pulver med forskjellig støkiometri ble sprayet, der enten 8, 24 eller 30 mol% Li-overskudd ble benyttet for å gjøre opp for tap av Li i løpet av syntesen. Sintring ble gjennomført i åpen ovn på 1000 °C og 1150 °C. Etter sintring ble prøvene karakterisert og evaluert basert på fasesammensetning, tetthet, mikrostruktur og ionisk ledningsevne. Det sintringsprogrammet som gav best resultater holdt prøvene på sintringstemperatur 1150 °C i 2 timer, og resultatet var en ren kubisk LLZO fase med relativ tetthet over 90%. Sintring på 1150 °C medførte også en enorm kornvekst, som går ut over de mekaniske egenskapene. Den ioniske ledningsevnen til Al-LLZO tilsatt 24 mol% Li-overskudd var generelt overlegen, og ved bruk av det best tilpassede sintringsprogrammet ble ionisk ledningsevne på 3.0∙10⁻⁴ Scm⁻¹ oppnådd.

Solid-state electrolytes are investigated as a potential substitute to the common liquid organic electrolytes employed in current Li-ion battery technology. The implementation of solid-state electrolytes will improve battery safety and enable the use of high capacity Li metal anodes. Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) is a promising material which exhibits high ionic conductivity upon doping and is stable in contact with Li metal.

This work focused on LLZO doped with aluminium Li₆.₂₅Al₀.₂₅La₃Zr₂O₁₂ (Al-LLZO), produced by spray pyrolysis at Cerpotech. Three different stoichiometry powders were sprayed, with 8, 24, and 30 mol% Li excess added to make up for Li-loss during synthesis. Sintering experiments were conducted in ambient air at 1000 °C and 1150 °C, and sintered samples were evaluated based on their phase composition, density, microstructure, and ionic conductivity. The most successful sintering program heated the pellets to 1150 °C for 2h and resulted in pure cubic LLZO phase and above 90% relative density. However, sintering at 1150 °C also caused abnormal grain growth, which reduces the mechanical strength of the solid electrolyte. The ionic conductivity of Al-LLZO with 24 mol% Li excess was generally superior, and with the optimal sintering program a high ionic conductivity of 3.0∙10⁻⁴ Scm⁻¹ was achieved.