Phase transformation and grain-boundary segregation in Al-Doped Li7La3Zr2O12 ceramics

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作者
Libin Zhuang,Xiao Huang,Yang Lu,Jiawen Tang,Yongjian Zhou,Xin Ao,Yan Yang,Bingbing Tian
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:47 (16): 22768-22775 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2021.04.295
摘要

Cubic phase garnet-type Li7La3Zr2O12 (LLZO) is a promising solid electrolyte for highly safe Li-ion batteries. Al-doped LLZO (Al-LLZO) has been widely studied due to the low cost of Al2O3. The reported ionic conductivities were variable due to the complicated Al3+-Li+ substitution and LixAlOy segregation in Al-LLZO ceramics. This work prepared Li7−3xAlxLa3Zr2O12 (x = 0.00~0.40) ceramics via a conventional solid-state reaction method. The AC impedance and corresponding distribution of relaxation times (DRT) were analyzed combined with phase transformation, cross-sectional microstructure evolution, and grain boundary element mapping results for these Al-LLZO ceramics to understand the various ionic transportation levels in LLZO with different Al-doping amounts. The low conductivity in low Al-doped (0.12~0.28) LLZO originates from the slow Li+ ion migration (1.4~0.25 μs) in the cubic-tetragonal mixed phase. On the other hand, LiAlO2 and LaAlO3 segregation occur at the grain boundaries of high Al-doped (0.40) LLZO, resulting in a gradual Li+ ion jump (6.5 μs) over grain boundaries and low ionic conductivity. The Li6.04Al0.32La3Zr2O12 ceramic delivers the optimum Li+ ion conductivity of 1.7 × 10−4 S cm−1 at 25 °C.
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