Investigadores de la Universidad Tecnológica de Toyohashi han fabricado con éxito una película gruesa de cátodo de trivanadato de litio (LVO) sobre un electrolito sólido de óxido de tipo granate utilizando el método de deposición en aerosol. La película gruesa del cátodo LVO fabricada en el electrolito sólido mostró una gran capacidad de carga y descarga reversible de hasta 300 mAh / gy una buena estabilidad cíclica a 100 ºC. Este hallazgo puede contribuir a la realización de baterías de litio totalmente sólidas basadas en óxidos altamente seguras y químicamente estables. Los resultados de la investigación se informaron en Materiales el 1 de septiembre 2018.

Las baterías recargables de iones de litio (LiB) se han utilizado ampliamente a nivel mundial como fuente de energía para dispositivos electrónicos móviles como teléfonos inteligentes, tabletas, y computadoras portátiles debido a su alta densidad de energía y buen rendimiento de ciclismo. Recientemente, Se ha acelerado el desarrollo de LiB de mediana y gran escala para su uso en propulsión automotriz y nivelación de carga estacionaria para la generación de energía intermitente a partir de energía solar o eólica. Sin embargo, una batería de mayor tamaño provoca problemas de seguridad más graves en las LIB; una de las principales razones es el aumento de la cantidad de electrolitos líquidos orgánicos inflamables.

Se espera que los LiB de estado sólido con conductores de iones de litio (Li +) inorgánicos no inflamables como electrolitos sólidos (SE) sean la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de energía debido a su alta densidad de energía. la seguridad, y confiabilidad. Los materiales SE deben tener no solo una alta conductividad de iones de litio a temperatura ambiente, pero también deformabilidad y estabilidad química. Los materiales SE a base de óxidos tienen una conductividad relativamente baja y una deformabilidad pobre en comparación con los a base de sulfuros; sin embargo, tienen otras ventajas como estabilidad química y facilidad de manejo.

El óxido de conducción rápida Li + tipo granate, Li7-xLa ₃ Zr _2-x TaxO ₁₂ (x =0,4-0,5, LLZTO), se considera un buen candidato para SE debido a su buena propiedad de conducción iónica y alta estabilidad electroquímica. Sin embargo, La sinterización a alta temperatura a 1000-1200 ºC generalmente es necesaria para la densificación. y esta temperatura es demasiado alta para suprimir la reacción secundaria no deseada en la interfaz entre SE y la mayoría de los materiales de los electrodos. Por lo tanto, Actualmente existen materiales de electrodo limitados que se pueden utilizar para baterías de estado sólido con SE de tipo granate desarrollados mediante el proceso de co-sinterización.

Ryoji Inada y sus colegas del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica, Universidad Tecnológica de Toyohashi, logró fabricar un trivanadato de litio (LiV ₃ O ₈ , LVO) cátodo de película gruesa en LLZTO tipo granate mediante el método de deposición en aerosol (AD). Se prepararon y probaron todas las muestras de células de estado sólido utilizando el compuesto fabricado.

Se sabe que el método AD es un proceso de fabricación de películas a temperatura ambiente, que utiliza la consolidación por impacto de partículas cerámicas sobre un sustrato. Controlando el tamaño y la morfología de las partículas, Las películas cerámicas densas y gruesas se pueden fabricar sobre varios sustratos sin tratamiento térmico. Esta característica es atractiva en la fabricación de baterías de estado sólido a base de óxido porque se pueden seleccionar y formar varios materiales activos de electrodo en SE sin tratamiento térmico.

El LVO se ha estudiado en profundidad como material de cátodo para baterías de litio debido a su gran capacidad de almacenamiento de Li + de aproximadamente 300 mAh / g. Sin embargo, La viabilidad de LVO como cátodo para baterías de estado sólido aún no se ha investigado. La reacción de LVO se inicia en la descarga (es decir, Li + inserción) proceso, que difiere de la de otros materiales catódicos convencionales de LiB como LiCoO ₂ , Manuscrito iluminado ₂ O ₄ , y LiFePO ₄ . Por lo tanto, ánodos de grafito, que son ampliamente utilizados en LiB actuales, son difíciles de usar en baterías con cátodos LVO. En baterías de estado sólido con SE de tipo granate, Los electrodos de metal de litio pueden usarse potencialmente como ánodos; por lo tanto, LVO se convertiría en un candidato atractivo para cátodos de alta capacidad.

Para fabricar una película densa de LVO en un gránulo LLZTO, el tamaño de las partículas de LVO se controló mediante molienda de bolas. Como resultado, Se fabricó con éxito una película gruesa de LVO con un espesor de 5-6 μm en LLZTO a temperatura ambiente. La densidad relativa de la película gruesa de LVO fue aproximadamente del 85 por ciento. Para la caracterización electroquímica de la película gruesa LVO como cátodo, Se unió una hoja de metal de Li en la cara del extremo opuesto del gránulo LLZTO como un ánodo para formar una celda de estado sólido estructurada LVO / LLZTO / Li. Las propiedades de carga galvanostática (extracción de Li + de LVO) y descarga (inserción de Li + en LVO) en una celda de estado sólido LVO / LLZTO / Li se midieron a 50 y 100 ºC.

Aunque la polarización fue considerablemente grande a 50 ºC, Se confirmó una capacidad reversible de aproximadamente 100 mAh / g. Con un aumento de temperatura a 100 ºC, la polarización se redujo y la capacidad aumentó significativamente a 300 mAh / ga un voltaje de celda promedio de aproximadamente 2,5 V; este es un comportamiento típico de un electrodo LVO observado en un electrolito líquido orgánico. Además, confirmamos que las reacciones de carga y descarga en la celda de estado sólido se ciclan de manera estable a varias densidades de corriente. Esto se puede atribuir a la fuerte adhesión entre la película LVO fabricada mediante consolidación por impacto y las partículas LLZTO y LVO en la película.

Estos resultados indican que LVO se puede usar potencialmente como un cátodo de alta capacidad en una batería de estado sólido a base de óxido con alta seguridad y estabilidad química. aunque se necesita investigación adicional para mejorar el desempeño. Los investigadores han llevado a cabo más estudios para realizar baterías de estado sólido a base de óxido a temperaturas de funcionamiento más bajas.