Hendcrson W.A.;Shin J.H.;Alessandrini F.;Passcrini S.
한국전기화학회:학술대회논문집
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한국전기화학회 2003년도 전지기술심포지움
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pp.153-168
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2003
Polymer electrolytes - solid polymeric membranes with dissolved salts - are being intensively studied for use in all-solid-state lithium-metal-polymer consumer electronic device. The low ionic conductivity at room temperature of existing polymer electrolytes, however, has seriously hindered the development of such batteries for many applications. The incorporation of salts molten at room temperature (room temperature ionic liquids or RTILs) into polymer electrolytes may be the necessary solution to overcoming the inherent ionic conductivity limitations of 'dry' polymer electrolytes.
In this study, we investigate the effect of the$Li_3BO_3$ additive on the densification and ionic conductivity of garnet-type $Li_7La_3Zr_2O_{12}$ solid electrolytes for all-solid-state lithium batteries. We analyze their densification behavior with the addition of $Li_3BO_3$ in the range of 2-10 wt.% by dilatometer measurements and isothermal sintering. Dilatometry analysis reveals that the sintering of $Li_7La_3Zr_2O_{12}-Li_3BO_3$ composites is characterized by two stages, resulting in two peaks, which show a significant dependence on the $Li_3BO_3$ additive content, in the shrinkage rate curves. Sintered density and total ion conductivity of the system increases with increasing $Li_3BO_3$ content. After sintering at $1100^{\circ}C$ for 8 h, the $Li_7La_3Zr_2O_{12}-8$ wt.% $Li_3BO_3$ composite shows a total ionic conductivity of $1.61{\times}10^{-5}Scm^{-1}$, while that of the pure $Li_7La_3Zr_2O_{12}$ is only $5.98{\times}10^{-6}Scm^{-1}$.
All solid state thin film micro-batteries consisting of lithium metal anode, an amorphous LiPON electrolyte and cathode of vanadium oxide have been fabricated and characterized, which were fabricated with cell structure of Li/LiPON/V$_2$O$\sub$5/Pt. The vanadium oxide thin films were formed by d.c. reactive sputtering on Pt current collector. After deposition of vanadium oxide films, in-situ growths of lithium phosphorus oxynitride film were conducted by r.f. sputtering of Li$_3$PO$_4$ target in mixture gas of N$_2$ and O$_2$. The pure metal lithium film was deposited by thermal evaporation on thin film LiPON electrolyte. The cell capacity was about 45${\mu}$Ah/$\textrm{cm}^2$$\mu\textrm{m}$ after 200 cycle. No appreciable degradation of the cell capacity could be observed after 50 cycles .
흑연은 낮은 탈/리튬화 전압, 372 mAh/g의 높은 이론 용량, 낮은 가격 및 긴 수명 특성을 가져 지난 30년 동안 리튬이 온전지 음극 재료로 활용되었다. 최근 무기 고체 재료로 구성되어 높은 안정성을 가지는 전고체 리튬이온전지는 전기자동차 및 차세대 에너지 저장 장치로 엄청난 주목을 받고 있지만, 전고체 리튬이온전지 시스템에 잘 구동되는 흑연 연구는 부족한 실정이다. 그래서 우리는 탄소재료 표면에 존재하여 저항층으로 작용하는 비정질 탄소를 흑연으로부터 제거하여 흑연의 전기전도도 향상을 통해 황화물계 전고체 전지 음극 흑연 재료의 성능 향상을 유도했다. 400, 500 및 600 ℃ 공기 열처리된 흑연의 X-ray diffraction (XRD) 분석 결과, (002) 피크 반치폭(FWHM)이 bare 흑연보다 줄어들어 열처리 후 흑연의 결정성이 향상됨을 보였다. 또한 열처리 후 흑연의 결정성이 증가할수록 방전 용량, 초기 쿨롱효율(ICE) 및 수명 특성이 증가함을 확인했다. 500 ℃ 공기 열처리 한 흑연의 경우 331.1 mAh/g 및 ICE 86.2%와 10사이클 수명 측정 후 92.7%의 높은 용량 유지율을 나타내었다.
현재 상용화되어 있는 리튬이온전지에 사용하고 있는 비수계 유기 전해액은 가연성, 부식성, 고휘발성, 열적 불안정성 등의 단점 때문에 더욱 안전하고 장수명을 보이는 고체 전해질로 대체하는 연구가 진행되고 있으며, 이것은 전기자동차 및 에너지저장 시스템과 같은 중대형 이차전지에도 효율적으로 활용될 수 있다. 다양한 형태의 고체 전해질 중에서 현재 고분자 매트릭스에 활성 무기 충진재가 포함되어 있는 복합 고체 전해질이 고이온전도도와 전극과의 탁월한 계면접촉을 이루는데 가장 유리한 것으로 알려졌다. 본 총설에서는 우선 고체 전해질의 종류와 연혁에 관해 간단히 소개하고, 고분자 및 무기 충진재 (불활성 및 활성)로 구성되는 고체 고분자 전해질 및 무기 고체 전해질의 기본적 물성 및 전기화학적 특성을 개괄한다. 또한 이 소재들의 형상을 기준으로 입자형 (0D), 섬유형 (1D), 평판형 (2D), 입체형 (3D)의 형식으로 구성된 복합고체 전해질과 이에 따른 전고체 전지의 전기화학적 특성을 논의한다. 특히 리튬금속 음전극을 사용하는 전고체 전지에 있어서 양전극-전해질 계면, 음전극-전해질 계면, 입자간 계면의 특성에 관해 소개하고, 마지막으로 현재까지 보고된 관련 총설들을 참조하여 복합 고체 전해질 기술의 현재 요구조건 및 미래 전망을 알아본다.
In this study, NASICON-type Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 (x = 0.1, 0.3 and 0.4) solid-state electrolytes for all-solid-state batteries were synthesized through the sol-gel method. In addition, the influence on the ion conductivity of solid-state electrolytes when partially substituted for Ti4+ (0.61Å) site to Ga3+ (0.62Å) of trivalent cations was investigated. The obtained precursor was heat treated at 450 ℃, and a single crystalline phase of Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 systems was obtained at a calcination temperature above 650 ℃. Additionally, the calcinated powders were pelletized and sintered at temperatures from 800 ℃ to 1,000 ℃ at 100 ℃ intervals. The synthesized powder and sintered bodies of Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 were characterized using TG-DTA, XRD, XPS and FE-SEM. The ionic conduction properties as solid-state electrolytes were investigated by AC impedance. As a result, Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 was successfully produced in all cases. However, a GaPO4 impurity was formed due to the high sintering temperatures and high Ga content. The crystallinity of Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 increased with the sintering temperature as evidenced by FE-SEM observations, which demonstrated that the edges of the larger cube-shaped grains become sharper with increases in the sintering temperature. In samples with high sintering temperatures at 1,000 ℃ and high Ga content above 0.3, coarsening of grains occurred. This resulted in the formation of many grain boundaries, leading to low sinterability. These two factors, the impurity and grain boundary, have an enormous impact on the properties of Li1+XGaXTi2-X(PO4)3. The Li1.3Ga0.3Ti1.7(PO4)3 pellet sintered at 900 ℃ was denser than those sintered at other conditions, showing the highest total ion conductivity of 7.66 × 10-5 S/cm at room temperature. The total activation energy of Li-ion transport for the Li1.3Ga0.3Ti1.7(PO4)3 solid-state electrolyte was estimated to be as low as 0.36 eV. Although the Li1+XGaXTi2-X(PO4)3 sintered at 1,000 ℃ had a relatively high apparent density, it had less total ionic conductivity due to an increase in the grain-boundary resistance with coarse grains.
The electrochemical performance of all-solid-state cells (ASSCs) based on sulfide electrolytes is critically affected by the undesirable interfacial reactions between oxide cathodes and sulfide electrolytes because of the high reactivity of sulfide electrolytes. Based on the concept that the interfacial reactions are highly dependent on the type of sulfide electrolyte, the electrochemical properties of the ASSCs prepared using three types of sulfide electrolytes were observed and compared. The Li2MoO4-LiI coating layer was also introduced to suppress the interfacial reactions. The cells using argyrodite electrolyte exhibited a higher capacity and Coulombic efficiency than the cells using 75Li2S-22P2S5-3Li2SO4 and Li7P3S11 electrolytes, indicating that the argyrodite electrolyte is less reactive with cathodes than other electrolytes. Moreover, the introduction of Li2MoO4-LiI coating on the cathode surface significantly enhanced the electrochemical performance of ASSCs because of the protection of coating layer. Pulverization of argyrodite electrolyte is also effective in increasing the capacity of cells because the smaller size of electrolyte particles improved the contact stability between the cathode and the sulfide electrolyte. The cyclic performance of cells was also enhanced by pulverized electrolyte, which is also associated with improved contact stability at the cathode/electrolyte. These results show that the introduction of Li2MoO4-LiI coating and the use of pulverized sulfide electrolyte can exhibit a synergic effect of suppressed interfacial reaction by the coating layer and improved contact stability owing to the small particle size of electrolyte.
As the size of market for electric vehicles and energy storage systems grows, the demand for lithium-ion batteries (LIBs) is increasing. Currently, commercial LIBs are fabricated with liquid electrolytes, which have some safety issues such as low chemical stability, which can cause ignition of fire. As a substitute for liquid electrolytes, solid electrolytes are now being extensively studied. However, solid electrolytes have disadvantages of low ionic conductivity and high resistance at interface between electrode and electrolyte. In this study, Li7La3Zr2O12 (LLZO), one of the best ion conducting materials among oxide based solid electrolytes, is fabricated through RF-sputtering and various electrochemical properties are analyzed. Moreover, the electrochemical properties of LLZO are found to significantly improve with co-sputtered Li2O. An all-solid thin film battery is fabricated by introducing a thin film solid electrolyte and an Li4Ti5O12 (LTO) cathode; resulting electrochemical properties are also analyzed. The LLZO/Li2O (60W) sample shows a very good performance in ionic conductivity of 7.3×10-8 S/cm, with improvement in c-rate and stable cycle performance.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제15권2호
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pp.96-99
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2014
We fabricated $(Li_{0.5-x}Na_xLa_{0.5})Ti_{0.8}Zr_{0.2}O_3$(LNTLZ)ceramics ($0{\leq}x{\leq}0.4$) with a perovskite structure via standard solid state synthesis. The influence of Na content on the structural and electrical properties of LNTLZ ceramics was also investigated. During XRD patterns analysis, all of the samples showed orthorhombic structure. The resistance of LNTLZ ceramics decreased as Na content increased, and the maximum activation energy shows 0.56 eV at x=0.4 at room temperature. These results indicated that LNTLZ ceramics are a candidate for use Lithium ion batteries as electrolytes.
A lithium-ion battery exhibits high energy density but has many limitations due to safety issues. Currently, as a solution for this, research on solid state batteries is attracting attention and is actively being conducted. Among the solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes are receiving much attention with high ion conductivity, but there is a limit to commercialization due to the relatively high price of lithium sulfide, which is a precursor material. This study focused on the possibility of relatively inexpensive and light lithium hydride and conducted an experiment on it. In order to analyze the characteristics of LiAlH4, ion conductivity and thermal stability were measured, and a composites mixed with PVDF, a representative polymer electrolyte, was synthesized to confirm a change in characteristics. And metallurgical changes in the material were performed through XRD, SEM, and BET analysis, and ion conductivity and thermal stability were measured by EIS and LFA methods. As a result, Li3AlH6 having ion conductivity higher than LiAlH4 is formed by the synthesis of composite materials, and thus ion conductivity is slightly improved, but thermal stability is rapidly degraded due to structural irregularity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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