Synthesis of LALZO Ceramics by Spark Plasma Sintering for Solid-State Lithium Ion Battery Electrolyte Applications

Abstract

Denne avhandlingen tar for seg syntese og karakterisering av LALZO, med særlig vekt på deres potensielle nytteverdi som faststoffelektrolytter for litiumionebatterier. Faststoffelektrolytter har fordeler i forhold til tradisjonelle flytende elektrolytter, blant annet økt sikkerhet og ytelse. Dette skyldes at man kan eliminere brannfarlige væskekomponenter og forbedre kompatibiliteten med litiumanoder med høy kapasitet og høyspentkatoder. Forskningen benytter SPS for å fremstille tett LALZO-keramikk med høy faserenhet. Studien gransker effekten av kalsineringstemperaturer fra 750 til 850 grader på faserenheten, der høyere temperaturer fører til redusert innhold av litiumkarbonat og mer fullstendige reaksjoner. Tilstedeværelsen av sekundære faser som pyroklor bekreftes av røntgendiffraksjon (XRD) og skanningelektronmikroskopi (SEM), spesielt ved høyere kalsineringstemperaturer på grunn av litiumtap.

SPS, som utføres under en argonatmosfære med presis kontroll over trykk og temperatur, øker tettheten og reaksjonsfullstendigheten til de sintrede pelletene betydelig. En systematisk undersøkelse av ulike SPS-innstillinger avslørte at lengre holdetider på 10 minutter ved 1000 grader legger til rette for bedre diffusjon og kornforgroving, noe som øker keramikkens tetthet og mekaniske egenskaper. Disse funnene understreker hvor viktig det er å optimalisere både kalsinerings- og SPS-parametrene for å oppnå LALZO-keramikk av høy kvalitet, noe som er avgjørende for ytelsen til litiumionebatterier i fast form. Denne forskningen understreker potensialet for avanserte sintringsteknikker når det gjelder å produsere kjemisk stabile keramiske elektrolytter med høy tetthet, noe som baner vei for utvikling av tryggere og mer effektive batterier. Fremtidig forskning bør videreutvikle disse prosessene og undersøke hvordan ulike atmosfæriske forhold under kalsineringen påvirker faserenheten og den ioniske ledningsevnen til det endelige LALZO-produktet.

The present thesis delves into the investigation of the synthesis and characterization of LALZO ceramics, specifically emphasizing their potential utility as solid-state electrolytes for lithium-ion batteries. Solid-state electrolytes have advantages over traditional liquid electrolytes, including elevated safety and performance. This is attributed to the elimination of flammable liquid components and enhancing compatibility with high-capacity lithium anodes and high-voltage cathodes. The research primarily employed spark plasma sintering (SPS) to fabricate dense and phase pure LALZO ceramics. The study scrutinizes the impact of calcination temperatures ranging from 750 to 850 degrees on phase purity, with higher temperatures leading to reduced lithium carbonate content. The presence of secondary phases such as pyrochlore is confirmed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analyses, particularly at higher calcination temperatures due to lithium loss.

SPS, performed under an argon atmosphere with precise control over pressure and temperature, substantially enhances the density and reaction completeness of the sintered pellets. A systematic examination of various SPS conditions revealed that prolonged holding times at 10 minutes, at elevated temperatures, at 1000 degree facilitate improved diffusion and grain coarsening, thereby enhancing the densification and mechanical properties of the ceramics. These findings underscore the criticality of optimizing both calcination and SPS parameters to achieve high-quality LALZO ceramics, which are imperative for the performance of solid-state lithium-ion batteries. This research underlines the potential for advanced sintering techniques in producing high-density, chemically stable ceramic electrolytes, paving the way for developing safer and more efficient batteries. Future research endeavors should further refine these processes and investigate the influence of different atmospheric conditions during calcination to enhance the phase purity and ionic conductivity of the final LALZO product.