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From Synthesis to Battery Cell Integration of Al-doped Li7La3Zr2O12 Solid Electrolyte

Botros, Miriam :
From Synthesis to Battery Cell Integration of Al-doped Li7La3Zr2O12 Solid Electrolyte.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7200]
Technische Universität , Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7200

Abstract

The main aim of this work is to study the capability of synthesizing a garnet type Al-doped Li7La3Zr2O12 ceramic achieving a Li-ion conductivity in the order of 0.1 mS cm-1 at room temperature and to integrate the material as an electrolyte in a full battery cell. Nebulized spray pyrolysis is chosen as the synthesis method resulting in nanocrystalline starting powder. Further heat treatment using conventional sintering and field assisted sintering, after powder calcination, are used to achieve the cubic garnet modification, which exhibits high ionic conductivity. The synthesis and processing temperatures can be reduced to below 1000 °C, which is an advantage compared to conventional solid state reaction routes because Li loss from the garnet structure increases with increasing temperature. The processing parameters and their influence on the Li loss during calcination, which influences the electrochemical performance, are optimized and the influence of the calcination atmosphere is studied using high temperature X-ray diffraction. The solid electrolyte is characterized by means of scanning electron microscopy and transmission electron microscopy combined with energy dispersive X-ray spectroscopy for microstructural imaging and elemental mapping of powders and ceramics. The material properties like phase composition, density, grain size and microstrain are studied and their possible influence on the electrochemical performance is determined. AC-impedance spectroscopy is utilized for temperature dependent conductivity measurements as well as the determination of the area specific resistance of the interface between the solid electrolyte and Li metal in a symmetrical cell configuration. The highest total Li-ion conductivity achieved is 0.77 mS cm-1 and the best area specific resistance is calculated to 30.7 Ω cm2, both values are amongst the best reported in the literature to date. Al-doped Li7La3Zr2O12 is integrated in full battery cells using a melted Li metal anode and different cathodes, e.g., a thin film LiCoO2 cathode resulting in a full all-solid-state battery operational at room temperature and a slurry-based cathode resulting in a hybrid cell containing a small amount of liquid electrolyte; both battery cells present novel approaches towards an industrially applicable solid‑state battery cell.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Botros, Miriam
Title: From Synthesis to Battery Cell Integration of Al-doped Li7La3Zr2O12 Solid Electrolyte
Language: English
Abstract:

The main aim of this work is to study the capability of synthesizing a garnet type Al-doped Li7La3Zr2O12 ceramic achieving a Li-ion conductivity in the order of 0.1 mS cm-1 at room temperature and to integrate the material as an electrolyte in a full battery cell. Nebulized spray pyrolysis is chosen as the synthesis method resulting in nanocrystalline starting powder. Further heat treatment using conventional sintering and field assisted sintering, after powder calcination, are used to achieve the cubic garnet modification, which exhibits high ionic conductivity. The synthesis and processing temperatures can be reduced to below 1000 °C, which is an advantage compared to conventional solid state reaction routes because Li loss from the garnet structure increases with increasing temperature. The processing parameters and their influence on the Li loss during calcination, which influences the electrochemical performance, are optimized and the influence of the calcination atmosphere is studied using high temperature X-ray diffraction. The solid electrolyte is characterized by means of scanning electron microscopy and transmission electron microscopy combined with energy dispersive X-ray spectroscopy for microstructural imaging and elemental mapping of powders and ceramics. The material properties like phase composition, density, grain size and microstrain are studied and their possible influence on the electrochemical performance is determined. AC-impedance spectroscopy is utilized for temperature dependent conductivity measurements as well as the determination of the area specific resistance of the interface between the solid electrolyte and Li metal in a symmetrical cell configuration. The highest total Li-ion conductivity achieved is 0.77 mS cm-1 and the best area specific resistance is calculated to 30.7 Ω cm2, both values are amongst the best reported in the literature to date. Al-doped Li7La3Zr2O12 is integrated in full battery cells using a melted Li metal anode and different cathodes, e.g., a thin film LiCoO2 cathode resulting in a full all-solid-state battery operational at room temperature and a slurry-based cathode resulting in a hybrid cell containing a small amount of liquid electrolyte; both battery cells present novel approaches towards an industrially applicable solid‑state battery cell.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
11 Department of Materials and Earth Sciences
Date Deposited: 28 Jan 2018 20:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7200
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72000
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 December 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Möglichkeit der Synthese des Al-dotiertem Li7La3Zr2O12 Granat zu studieren und dabei eine Raumtemperaturleitfähigkeit in der Größenordnung von 0.1 mS cm-1 zu erreichen. Dazu soll das Feststoffelektrolyte in einer vollen Feststoffbatteriezelle integriert werden. Sprüh Pyrolyse wurde hierfür eingesetzt, was nanokristallines Pulver liefert. Weiteres Prozessieren ist notwendig, um das kubische Granat mit einer höheren Li-Ionen Leitfähigkeit herzustellen. Konventionelles Sintern, sowie Feld-Aktiviertes Sintern nach thermischer Behandlung des Pulvers wurden eingesetzt. Die Synthese-, sowie die Prozesstemperaturen sind unterhalb von 1000 °C, was einen großen Vorteil darstellt verglichen mit Festkörperreaktionen. Ein Li Verlust ist damit minimiert, was bei höheren Temperaturen steigen würde. Der Li Verlust hat einen großen Einfluss auf den elektrochemischen Charakteristika des Feststoffelektrolyten, daher wurde der Einfluss der Prozessparameter auf den Li Verlust während der thermischen Behandlung untersucht und optimiert. Dazu wurde der Einfluss der Gasatmosphäre mittels Hochtemperatur Röntgenbeugung ermittelt. Die Mikrostruktur des Feststoffelektrolytpulvers und gesinterte Keramik wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie, sowie Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Die Elementverteilung wurde mittels energiedispersive Röntgenspektroskopie dargestellt. Die Materialeigenschaften wie Phasenzusammensetzung, Dichte, Korngröße und Mikrodehnung wurden untersucht und deren möglichen Einfluss auf die elektrochemischen Charakteristika des Materials ermittelt. AC-Impedanz Spektroskopie ist für temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen, sowie zur Bestimmung des Grenzflächenwiederstands zwischen dem Feststoffelektrolyten und einer Li-Elektrode in einer symmetrischen Zellkonfiguration eingesetzt. Die höchste Li-Ionen Leitfähigkeit ist 0.77 mS cm-1 und der beste Grenzflächenwiederstand ist 30.7 Ω cm2. Beide Werte sind unter der besten Literaturwerten. Al-dotiertes Li7La3Zr2O12 wurde in vollen Feststoffbatteriezellen integriert mit geschmolzenem Li Metall als Anode und verschiedene Kathodenansätze. Eine Dünnfilmkathode aus LiCoO2 wurde für die Herstellung von einer kompletten Feststoffzelle eingesetzt und eine Suspension-basierte LiCoO2 Kathode wurde zur Herstellung von einer Hybridzelle angewandt, wobei eine geringe Menge an Flüssigelektrolyt zwischen der Kathode und dem Feststoffelektrolyten eingesetzt wurde. Beide Ansätze bieten innovative Methoden zur Herstellung von industriell anwendbaren Batteriezellen.German
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