Pesquisadores da Toyohashi University of Technology fabricaram com sucesso um filme espesso de cátodo de trivanadato de lítio (LVO) em um eletrólito sólido de óxido do tipo granada usando o método de deposição de aerossol. O filme espesso do catodo LVO fabricado no eletrólito sólido mostrou uma grande carga reversível e capacidade de descarga de até 300 mAh / ge uma boa estabilidade de ciclo a 100 ºC. Essa descoberta pode contribuir para a realização de baterias de lítio de estado sólido totalmente seguras e quimicamente estáveis ​​à base de óxido. Os resultados da pesquisa foram relatados em Materiais em 1 de setembro, 2018.

As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio (LiBs) têm sido amplamente utilizadas globalmente como fonte de energia para dispositivos eletrônicos móveis, como telefones inteligentes, tablets, e laptops por causa de sua alta densidade de energia e bom desempenho de ciclismo. Recentemente, o desenvolvimento de LiBs de média e grande escala foi acelerado para uso em propulsão automotiva e nivelamento de carga estacionária para geração intermitente de energia solar ou eólica. Contudo, um tamanho de bateria maior causa problemas de segurança mais sérios em LIBs; um dos principais motivos é o aumento da quantidade de eletrólitos líquidos orgânicos inflamáveis.

Espera-se que LiBs de estado sólido com condutores de íons de lítio inorgânicos não inflamáveis ​​(Li +) como eletrólitos sólidos (SE) sejam a próxima geração de dispositivos de armazenamento de energia devido à sua alta densidade de energia, segurança, e confiabilidade. Os materiais SE não devem ter apenas alta condutividade de íons de lítio em temperatura ambiente, mas também deformabilidade e estabilidade química. Os materiais SE à base de óxido têm uma condutividade relativamente baixa e baixa deformabilidade em comparação com os à base de sulfeto; Contudo, eles têm outras vantagens, como estabilidade química e facilidade de manuseio.

O óxido condutor de Li + rápido do tipo granada, Li7-xLa ₃ Zr _2-x TaxO ₁₂ (x =0,4-0,5, LLZTO), é considerado um bom candidato para SE devido à sua boa propriedade de condução iônica e alta estabilidade eletroquímica. Contudo, A sinterização de alta temperatura a 1000-1200 ºC é geralmente necessária para densificação, e esta temperatura é muito alta para suprimir a reação lateral indesejada na interface entre SE e a maioria dos materiais do eletrodo. Portanto, existem atualmente materiais de eletrodo limitados que podem ser usados ​​para baterias de estado sólido com SEs do tipo granada desenvolvidas pelo processo de co-sinterização.

Ryoji Inada e seus colegas do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Informação, Toyohashi University of Technology, conseguiu fabricar um trivanadato de lítio (LiV ₃ O ₈ , LVO) cátodo de filme espesso em LLZTO tipo granada usando o método de deposição em aerossol (AD). Todas as amostras de células em estado sólido foram preparadas e testadas usando o composto fabricado.

O método AD é conhecido por ser um processo de fabricação de filme à temperatura ambiente, que usa a consolidação por impacto de partículas de cerâmica em um substrato. Ao controlar o tamanho e a morfologia das partículas, filmes espessos de cerâmica densos podem ser fabricados em vários substratos sem tratamento térmico. Esse recurso é atraente na fabricação de baterias de estado sólido à base de óxido porque vários materiais ativos de eletrodo podem ser selecionados e formados no SE sem tratamento térmico.

LVO tem sido estudado extensivamente como um material catódico para baterias baseadas em Li devido à sua grande capacidade de armazenamento de Li + de aproximadamente 300 mAh / g. Contudo, a viabilidade do LVO como cátodo para baterias de estado sólido ainda não foi investigada. A reação de LVO inicia na descarga (ou seja, Li + inserção) processo, que difere de outros materiais catódicos convencionais de LiBs, como LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , e LiFePO ₄ . Portanto, ânodos de grafite, que são amplamente usados ​​nos atuais LiBs, são difíceis de usar em baterias com cátodos LVO. Em baterias de estado sólido com SEs do tipo granada, Eletrodos de metal de lítio podem ser usados ​​como ânodos; portanto, LVO se tornaria um candidato atraente para cátodos de alta capacidade.

Para fabricar um filme denso LVO em uma pelota LLZTO, o tamanho das partículas LVO foi controlado por moagem de bolas. Como resultado, um filme espesso de LVO com uma espessura de 5-6 μm foi fabricado com sucesso em LLZTO em temperatura ambiente. A densidade relativa do filme espesso LVO foi de aproximadamente 85 por cento. Para a caracterização eletroquímica do filme espesso LVO como um cátodo, A folha de metal de lítio foi fixada na face da extremidade oposta do sedimento LLZTO como um ânodo para formar uma célula de estado sólido estruturada LVO / LLZTO / Li. As propriedades de carga galvanostática (Li + extração de LVO) e descarga (Li + inserção em LVO) em uma célula de estado sólido LVO / LLZTO / Li foram medidas a 50 e 100 ºC.

Embora a polarização fosse consideravelmente grande a 50 ºC, uma capacidade reversível de aproximadamente 100 mAh / g foi confirmada. Com um aumento na temperatura para 100 ºC, a polarização reduziu e a capacidade aumentou significativamente para 300 mAh / g em uma voltagem de célula média de aproximadamente 2,5 V; este é um comportamento típico de um eletrodo LVO observado em um eletrólito líquido orgânico. Além disso, confirmamos que as reações de carga e descarga na célula de estado sólido são cicladas de forma estável em várias densidades de corrente. Isso pode ser atribuído à forte adesão entre o filme LVO fabricado via consolidação por impacto e as partículas LLZTO e LVO no filme.

Esses resultados indicam que o LVO pode ser potencialmente usado como um cátodo de alta capacidade em uma bateria de estado sólido à base de óxido com alta segurança e estabilidade química, mesmo que uma investigação adicional seja necessária para melhorar o desempenho. Os pesquisadores realizaram estudos adicionais para realizar baterias de estado sólido à base de óxido em temperaturas operacionais mais baixas.