Sintering Properties and Li-ion Conductivity of Solid-State Electrolytes with Composition Li7−xLa3Zr2−xTaxO12 (x=0.25 and x=0.6)

Abstract

Den siste tiden har det vært en økende interesse for faststoffelektrolytter som potensielle erstatninger for de flytende organiske elektrolyttene som brukes i nåværende Li-ion-batterier. Bruk av faststoffelektrolytter vil forbedre batterisikkerheten, samt tillate bruk av Li-metallanoder med høy kapasitet. Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) er et lovende faststoffmateriale på grunn av dets høye Li-ion-ledningsevne og kjemiske stabilitet. Dette arbeidet undersøkte Ta-dopet LLZO produsert ved spraypyrolyse. To ulike sammensetninger ble studert, nemlig Li₆.₇₅La₃Zr₁.₇₅Ta₀.₂₅O₁₂ og Li₆.₄La₃Zr₁.₄Ta₀.₆O₁₂. Pulverne inneholdt et Li-overskudd på 24,2 mol% for å kompensere for tap av Li. Sintringseksperimenter ble utført i åpen ovn ved 1150 °C, og fasesammensetning, mikrostruktur, tetthet og ionisk ledningsevne av de sintrede prøvene ble evaluert. Et høyt Li-tap resulterte i dannelse av en La₂Zr₂O₇-sekundærfase som reduserte den ioniske ledningsevnen. Sintring av Li₆.₄La₃Zr₁.₄Ta₀.₆O₁₂ prøver i 6 timer i MgO-digler resulterte i ren kubisk Ta-dopet LLZO uten sekundære faser. Prøvene var dekket med et beskyttende pulver («bed powder») for å forhindre uønskede reaksjoner og tilføre ekstra Li som kompensasjon for Li-tap. Dette sintringsprogrammet gav den høyeste totale ioniske ledningsevnen på 1,66 · 10⁻⁴ S cm⁻¹, og en relativ tetthet på 92 %.

Recently, there has been a growing interest in solid-state electrolytes as potential substitutes for the liquid organic electrolytes employed in current Li-ion batteries. Application of solid-state electrolytes will improve battery safety, as well as allow for the use of high-capacity Li metal anodes. Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) is a promising solid-state material due to its high Li-ion conductivity and chemical stability. This work investigated Ta-doped LLZO produced by spray pyrolysis. Two different compositions were studied, namely Li₆.₇₅La₃Zr₁.₇₅Ta₀.₂₅O₁₂ and Li₆.₄La₃Zr₁.₄Ta₀.₆O₁₂. The powders contained a Li excess of 24.2 mol% to compensate for Li loss. Sintering experiments were carried out in ambient air at 1150 °C, and the phase composition, microstructure, density, and ionic conductivity of the sintered samples were assessed. A high Li loss resulted in the formation of a La₂Zr₂O₇ secondary phase, which was found to reduce the ionic conductivity. Sintering of Li₆.₄La₃Zr₁.₄Ta₀.₆O₁₂ samples for 6 h in MgO crucibles resulted in pure cubic Ta-doped LLZO without secondary phases. The samples were covered in a bed powder to prevent undesired reactions and provide extra Li as compensation for Li loss. This sintering program achieved the highest total ionic conductivity of 1.66 · 10⁻⁴ S cm⁻¹ and a relative density of 92 %.