微觀結(jié)構(gòu)和表面雜質(zhì)偏析對致密的鋁取代化合物電性能及電化學(xué)性能的影響

【引言】

可充電電池在電動汽車等大型應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展面臨的一個重要挑戰(zhàn)是提高其實(shí)際的能量密度。成功地使用鋰金屬作為負(fù)極將能得到高能量密度的設(shè)備。然而由于金屬鋰與大多數(shù)液體電解質(zhì)溶液具有極端反應(yīng)性，存在嚴(yán)重的安全問題。在滿足高導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性的條件下，固體電解質(zhì)的使用被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)金屬鋰電極的一種方法。在已研究的陶瓷電解質(zhì)中，石榴石Li₇La₃Zr₂O₁₂ （LLZO）因其快速的離子輸運(yùn)特性（室溫導(dǎo)電性> 10^-4 S cm^-1)，且對金屬鋰具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性而具有廣闊的應(yīng)用前景。

【成果介紹】

Marca Doeff等人采用傳統(tǒng)的固態(tài)工藝，在1100 °C的燒結(jié)溫度下制備了粒徑為100-200 mm、相對密度為94%的鋁取代Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO)球團(tuán)，比之前報道過的燒結(jié)溫度低130 °C。利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線能譜（EDS）對其形態(tài)特征和雜質(zhì)的存在進(jìn)行了表征。采用飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（LIBS）)觀察雜質(zhì)的分布。使用垂直膨脹儀（LINSEIS L75）對LLZO球團(tuán)在室溫1100 °C下的燒結(jié)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，粉末層的化學(xué)成分對LLZO球團(tuán)的形貌和雜質(zhì)的形成有很大的影響，而顆粒尺寸的控制是致密化的關(guān)鍵；而這些性能反過來又強(qiáng)烈影響燒結(jié)球團(tuán)的離子電導(dǎo)率和界面電阻。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 LLZO粉末加工示意圖

圖2 （a）未處理粉末、（b）退火6小時粉末和（c）退火12小時粉末的SEM圖像

圖3 未處理粉末（黑色曲線）、粉末在1100 °C的氧化鋁坩堝中退火6小時（紅色曲線）、粉末在1100 °C的氧化鋁坩堝中退火12小時（綠色曲線）以及根據(jù)文獻(xiàn)6模擬的立方LLZO模型（藍(lán)色曲線）的XRD圖譜

圖4 研磨顆粒的SEM圖像

圖5 研磨粉末和未研磨粉末制備的球團(tuán)在燒結(jié)溫度從600 °C升溫至1100 °C的膨脹率曲線

圖6 （a）用未研磨粉末制成的球團(tuán)；（b）用研磨粉末制成的球團(tuán)；（c）用研磨粉末制成的球團(tuán)經(jīng)氬離子研磨的截面；（d）用研磨粉末制成的單顆粒厚膜經(jīng)壓裂產(chǎn)生的截面

圖7 （a）退火6小時和（b）退火12小時LLZO粉末中燒結(jié)球團(tuán)的SEM圖像

圖8 （a）未處理粉末燒結(jié)球團(tuán)和（b）退火6小時粉末燒結(jié)球團(tuán)的EDS光譜成像

圖9 未處理粉末燒結(jié)球團(tuán)（紅色曲線）、拋光后的未處理粉末燒結(jié)球團(tuán)（黑色曲線）、退火6小時粉末燒結(jié)球團(tuán)（綠色曲線）、拋光后的退火6小時粉末燒結(jié)球團(tuán)（藍(lán)色曲線）以及退火12小時粉末燒結(jié)球團(tuán)（紫色曲線）。其中◇代表LiAlO₂ (PDF# 018-0714)，◆代表LaAlO3 (PDF# 085-1071)，*代表La₂Li_0.5Al_0.5O₄ (PDF# 040-1167)，×代表Li₂ZrO₃ (PDF# 016-0263)

圖10 未處理粉末和退火6小時粉末制備的球團(tuán)中Al/La (a, a-1, a-2)、Zr/La (b, b-1, b-2)以及Li/La原子比(c, c-1, c-2)的LIBS深度剖面(a- c)和截面成像(a-1 - c-2)。

圖11 未處理粉末或退火6小時粉末制備的球團(tuán)在拋光前和拋光后的總離子電導(dǎo)率，也顯示了與圖6（d）類似的單顆粒LLZO膜的數(shù)據(jù)

圖12 在鋰電極之間存在厚球團(tuán)的對稱電池的奈奎斯特圖譜。左邊的曲線圖顯示的是拋光前未處理粉末或退火粉末中制備球團(tuán)的數(shù)據(jù)，右邊的曲線圖顯示的是拋光后球團(tuán)的數(shù)據(jù)。

圖13 含有鋰電極和未處理粉末燒結(jié)LLZO球團(tuán)的對稱電池在電流密度為4.6 μA cm^-2下的恒流循環(huán)。使用的LLZO球團(tuán)約1.5 mm厚、直徑8.0 mm，采用未處理粉末制備，制備的LLZO球團(tuán)未進(jìn)行拋光處理

【結(jié)論】

通過降低顆粒尺寸成功地在1100攝氏度下燒結(jié)出相對密度為94%的立方相鋁取代LLZO，這是使用傳統(tǒng)陶瓷加工技術(shù)所報道的最低溫度。球團(tuán)中微量雜質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組分和分布受到加工中使用粉末的熱歷史的強(qiáng)烈影響。這些因素反過來又會影響球團(tuán)與鋰電極接觸時的電導(dǎo)率與界面性能。以平均粒徑為1 mm的粉末為樣品，在未處理的LLZO粉末層上加熱12小時可以得到優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些試樣顆粒較大，直徑約為100-200毫米，氣孔較少，均為封閉狀態(tài)。使用相同的加工條件也可以制造出單顆粒尺寸約150毫米厚的獨(dú)立薄膜。該樣品在25攝氏度時表現(xiàn)出最高的電導(dǎo)率（5.2×10^-4 S cm^-1），這是由于與較厚球團(tuán)相比晶界較少的原因。交流與直流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與LLZO是單離子導(dǎo)體的解釋是一致的，它的電子導(dǎo)電性可以忽略不計。采用鋰電極和厚LLZO球團(tuán)作為電解質(zhì)的對稱電池在10個周期內(nèi)循環(huán)20小時后性能沒有明顯下降，說明LLZO對鋰的穩(wěn)定性較好。