研究人员探讨退火技术修复降解陶瓷电解质

时间:2021-01-25 05:58:13 采编:wangshuaigang 阅读:

  锂石榴石固体电解质会因锂枝晶生长而发生降解。据外媒报道,由日本丰桥技术科学大学Toyohashi University of Technology和卡尔加里大学University of Calgary的研究人员组成的联合团队,探讨退火处理对此类降解电解质的修复效果,并发现经过退火过程后,固体电解质的离子电导率略低于退火前数值,但在室温环境下会保持在10-4 S cm-1以上。电化学结果表明,在另外一种全固态锂电池中,此类因锂枝晶生长而导致降解的固体电解质有可能得到重复利用。



Li/Ta-LLZO/Li对称电池中的电化学阻抗奈奎斯特图左和Ta-LZO中的锂枝晶穿透右。图片来源:

对于发展更加安全可靠的下一代全固态锂电池来说,开发可以作为固体电解质的固体无机锂离子导电材料至关重要。在各种氧化基固体电解质材料中,分子式为Li7La3Zr2O12LLZO的石榴石类氧化物备受关注,因其在室温下具有较高的锂离子电导率,而且热性能表现突出,可以对锂金属保持高度稳定性。

锂金属的重量理论容量大=3860mAHg-1、氧化还原电位最低,以其为负极的电池具有较高的能量密度,但LLZO与锂金属电极之间会形成固-固界面,这是一大缺陷。在多晶体LLZO中,界面连接不良是导致不均匀镀锂和锂枝晶间穿透的主要原因。在电池循环的时候,尤其是电流密度高的情况下,其影响尤为突出,有可能导致内部短路。



 退火前后由锂枝晶引起的Ta-LZO降解图片左和Ta-LLZO的锂离子电导率右。

开发以锂金属为负极的全固态电池,其重点内容在于短路故障预防技术。反之,从有效利用物质资源的角度来看,固态电池发生短路故障后,可以考虑对其中的LLZO进行再利用。如果LLZO中生长的锂枝晶数量较少,且短路仅发生在一定区域内,则可以去除其中的锂枝晶,对LLZO进行再利用。

该研究团队首次探讨,在对Li/Ta-LZO/Li对称电池进行电化学镀锂/剥离测试的过程中,对因锂渗透而导致短路或降解的石榴石型掺杂钽的Ta-LLZO陶瓷固体电解质进行再利用。

在锂枝晶刺穿导致降解后,将Ta-LLZO从受试电池中去除,然后利用乙醇去除附有Ta-LLZO的锂金属电极。然后,将Ta-LLZO放置入800-900ºC的空气中退火数小时。结果表明,退火后的Ta-LLZO的锂离子电导率略低于样品电导率,但在室温下仍能在保持10-4S cm-1以上。退火后Ta-LLZO的电导率略有下降,主要原因在于Ta-LLZO端面附近形成的杂质相和结构变化,而降解程度取决于锂枝晶穿透面积。此外,还可以在带有退火Ta-LZO的另一对称电池中进行锂电镀/剥离。

该研究团队认为,通过优化退火条件,可以进一步缓解退火后LLZO锂离子电导率下降的现象。而且,在此次研究的基础上,可以继续探讨对短路或降解LLZO进行再利用,用作其他固态锂电池的固体电解质。

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