Ионная проводимость NASICON-подобных твердых электролитов LATP, синтезированных методом расплавленного флюса, в зависимости от содержания лития
Просмотры: 1 / Загрузок PDF: 0
DOI:
https://doi.org/10.32523/3107-278X-2026-156-3-51-65Ключевые слова:
литий-ионная батарея, радиочастотное магнетронное распыление, отжиг, электрохимические характеристикиАннотация
В статье представлена сравнительная оценка структурных и электрохимических свойств твердых электролитов на основе литий-алюмо-титан-фосфата (LATP) с различным содержанием лития LATP (Li1.3-1.5AlxTi2-x(PO4)3). Поликристаллы LATP с NASICON-подобной структурой были синтезированы методом расплавленного флюса, включающим смешивание прекурсоров LiNO3, Al2O3, TiO2, NH4H2PO4 и CO(NH2)2 с последующим ступенчатым нагревом при 170°C, 500°C и 800°C, прессованием и финальным спеканием при 800°C в течение 4 часов.
Рентгенофазовый анализ подтвердил формирование основной кристаллической фазы LATP, тогда как увеличение концентрации лития приводило к появлению вторичных фаз, таких как Li4P2O7, AlPO4, и TiP2O7, что оказывало влияние на ионную проводимость. Исследования методом электрохимической импедансной спектроскопии показали, что образец LATP (Li1.4) обладает наивысшей ионной проводимостью (1.66–1.85 × 10-4 S/cm при 25°C) по сравнению с образцами Li1.3 и Li1.5 благодаря более высокой структурной плотности и оптимальному фазовому составу.
Анализ температурной зависимости показал, что повышение температуры способствует увеличению подвижности литиевых ионов, подтверждая термоактивированный характер ионного транспорта. Таким образом, состав Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 демонстрирует наиболее перспективные характеристики в качестве твердого электролита для полностью твердотельных литиевых батарей.
Скачивания
Библиографические ссылки
Waetzig, K., Rost, A., Heubner, C., Coeler, M., Nikolowski, K., Wolter, M., & Schilm, J. (2020). Synthesis and sintering of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) electrolyte for ceramics with improved Li+ conductivity. Journal of Alloys and Compounds, 818, 153237. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153237
Zhang, B., Tan, R., Yang, L., Zheng, J., Zhang, K., Mo, S., & Pan, F. (2018). Mechanisms and properties of ion-transport in inorganic solid electrolytes. Energy Storage Materials, 10, 139–159. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.10.015
Liu, Y., Sun, Q., Zhao, Y., Wang, B., Kaghazchi, P., Adair, K. R., & Sun, X. (2018). Stabilizing the interface of NASICON solid electrolyte against Li metal with atomic layer deposition. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(37), 31240–31248. https://doi.org/10.1021/acsami.8b10924
Yang, Z., Yuan, H., Zhou, C., Wu, Y., Tang, W., Sang, S., & Liu, H. (2020). Facile interfacial adhesion enabled LATP-based solid-state lithium metal battery. Chemical Engineering Journal, 392, 123650. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123650
Zhu, X. B., Zhao, T. S., Wei, Z. H., Tan, P., & Zhao, G. (2015). A novel solid-state Li–O2 battery with an integrated electrolyte and cathode structure. Energy & Environmental Science, 8(9), 2782–2790. https://doi.org/10.1039/C5EE01353G
Zhang, X., Butenko, D., Gao, L., Ye, X., Hong, B., Han, S., & Zhu, J. (2023). Synergistic ion diffusion in lithium titanium phosphate conductors: a tale from solo to ensemble. Chemistry of Materials, 35(11), 4541–4548. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00479
Moustafa, M. G., Sanad, M. M. S., & Hassaan, M. Y. (2020). NASICON-type lithium iron germanium phosphate glass ceramic nanocomposites as anode materials for lithium ion batteries. Journal of Alloys and Compounds, 845, 156338. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156338
Wolfenstine, J., Allen, J. L., Sakamoto, J., Siegel, D. J., & Choe, H. (2018). Mechanical behavior of Li-ion-conducting crystalline oxide-based solid electrolytes: a brief review. Ionics, 24(5), 1271–1276. https://doi.org/10.1007/s11581-017-2374-2
Bachman, J. C., Muy, S., Grimaud, A., Chang, H. H., Pour, N., Lux, S. F., Paschos, O., Maglia, F., Lupart, S., Lamp, P., & Shao-Horn, Y. (2016). Inorganic solid-state electrolytes for lithium batteries: Mechanisms and properties governing ion conduction. Chemical Reviews, 116(1), 140–162. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00563
Randau, S., Weber, D. A., Kötz, O., Koerver, R., Braun, P., Weber, A., Ivers-Tiffée, E., & Janek, J. (2020). Benchmarking the performance of all-solid-state lithium batteries. Nature Energy, 5(3), 259–270. https://doi.org/10.1038/s41560-020-0565-1
Reddy, M. V., Julien, C. M., Mauger, A., Zaghib, K., & Chowdari, B. V. R. (2020). Sulfide and oxide inorganic solid electrolytes for all-solid-state Li batteries: A review. Nanomaterials, 10(8), 1606. https://doi.org/10.3390/nano10081606
Zhang, Z., Shao, Y., Lotsch, B., Hu, Y. S., Li, H., Janek, J., Nazar, L. F., Nan, C. W., Maier, J., Armand, M., & Chen, L. (2018). New horizons for inorganic solid state ion conductors. Energy & Environmental Science, 11(8), 1945–1976. https://doi.org/10.1039/C8EE01053F
Wu, P., Zhou, W., Su, X., Li, J., Su, M., Zhou, X., & Lu, W. (2023). Recent advances in conduction mechanisms, synthesis methods, and improvement strategies for Li1+xAlxTi2−x(PO4)3 solid electrolyte for all‐solid‐state lithium batteries. Advanced Energy Materials, 13(4), 2203440. https://doi.org/10.1002/aenm.202203440
Xiao, W., Wang, J., Fan, L., Zhang, J., & Li, X. (2019). Recent advances in Li1+xAlxTi2−x(PO4)3 solid-state electrolyte for safe lithium batteries. Energy Storage Materials, 19, 379–400. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.008
Lovett, A. J., Kursumovic, A., & MacManus-Driscoll, J. L. (2024). Lithium loss in vacuum deposited thin films. ACS Energy Letters, 9(4), 1753–1758. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00315
Nuernberg, R. B., Landry, A. K., Le Cras, F., & Le Cras, B. P. (2024). Enhancing ionic conductivity of LiSiPON thin films electrolytes: Overcoming synthesis challenges related to Li-migration in the precursor target. Solid State Ionics, 418, 116723. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2024.116723
Tolganbek, N., Yerkinbekova, Y., Khairullin, A., Bakenov, Z., Kanamura, K., & Mentbayeva, A. (2021). Enhancing purity and ionic conductivity of NASICON-typed Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 solid electrolyte. Ceramics International, 47(13), 18188–18195. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.03.104
Mashekova, A., Baltash, Y., Yegamkulov, M., Trussov, I., Bakenov, Z., & Mukanova, A. (2022). Polycationic doping of the LATP ceramic electrolyte for Li-ion batteries. RSC Advances, 12(46), 29595–29601. https://doi.org/10.1039/D2RA04924A
Baltash, Y., Mashekova, A., Yegamkulov, M., Trussov, I., Bakenov, Z., & Mukanova, A. (2023). Silicon doping of LATP via molten flux method. Ionics, 29(7), 2647–2655. https://doi.org/10.1007/s11581-023-05032-4
DeWees, R., & Wang, H. (2019). Synthesis and properties of NaSICON-type LATP and LAGP solid electrolytes. ChemSusChem, 12(16), 3713–3725. https://doi.org/10.1002/cssc.201900725
Arbi, K., Rojo, J. M., & Sanz, J. (2007). Lithium mobility in titanium based Nasicon Li1+xTi2−xAlx(PO4)3 and LiTi2−xZrx(PO4)3 materials followed by NMR and impedance spectroscopy. Journal of the European Ceramic Society, 27(13–15), 4215–4218. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.092
Liu, J., Liu, T., Pu, Y., Guan, M., Tang, Z., Ding, F., & Li, Y. (2017). Facile synthesis of NASICON-type Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 solid electrolyte and its application for enhanced cyclic performance in lithium ion batteries through the introduction of an artificial Li3PO4 SEI layer. RSC Advances, 7(74), 46545–46552. https://doi.org/10.1039/C7RA08659A
Ma, Q., Xu, Q., Tsai, C. L., Tietz, F., & Guillon, O. (2016). A Novel Sol-Gel Method for Large‐Scale Production of Nanopowders: Preparation of Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 as an Example. Journal of the American Ceramic Society, 99(2), 410–414. https://doi.org/10.1111/jace.13930
Yang, K., Chen, L., Ma, J., He, Y. B., & Kang, F. (2021). Progress and perspective of Li1+xAlxTi2−x(PO4)3 ceramic electrolyte in lithium batteries. InfoMat, 3(11), 1195–1217. https://doi.org/10.1002/inf2.122
Öksüzoğlu, F., Ateş, Ş., Özkendir, O. M., Çelik, G., Eker, Y. R., & Baveghar, H. (2024). Structure and ionic conductivity of NASICON-type LATP solid electrolyte synthesized by the solid-state method. Ceramics International, 50(17), 31435–31441. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.214
Xiao, W., Li, J., Miao, C., Xin, Y., Nie, S., Liu, C., & He, M. (2023). Engineering and regulating the interfacial stability between Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3-based solid electrolytes and lithium metal anodes for solid-state lithium batteries. Journal of Colloid and Interface Science, 652, 1447–1455. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.08.083
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Ayazhan Bekmakhanova, Ayazhan Bekmakhanova (Автор)
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
