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Production of Ta-Doped Li7La3Zr2O12 Solid Electrolyte with High Critical Current Density

电解质 兴奋剂 材料科学 临界电流 电流密度 分析化学(期刊) 电流(流体) 物理化学 化学 热力学 凝聚态物理 超导电性 物理 电极 光电子学 量子力学 色谱法
作者
Yongjian Zhou,Xiaoyi Li,Yan Yang,Xiao Huang,Bingbing Tian
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (11): 13817-13828 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c02441
摘要

Solid-state electrolytes are key materials for developing high-safety solid-state Li-ion batteries. The garnet-type Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid electrolyte is one of the most promising solid electrolytes due to its high conductivity and feasible preparation in ambient air. Among several dopants, Ta-doped LLZO (Ta-LLZO) delivers high stability against lithium metal and high conductivity, which attracts lots of researchers. However, production of Ta-LLZO ceramics is less problematic due to the complicated gas–liquid–solid sintering mechanism. This work aims to develop an efficient method to produce Ta-LLZO solid electrolyte ceramic pellets, including providing a stacking sintering method and optimizing the amount of excessive Li source, the wet milling duration, and the sintering temperature. First, a low-cost, efficient "gravel-separator" strategy is provided for multiple sintering of LLZO. Second, the Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (Ta5) samples with different excessive Li levels (2, 4, 6, and 8%) are sintered at various sintering conditions of 1240 °C for 60 min, 1280 °C for 20 min, and 1320 °C for 2 min to search for the optimum excessive amount of Li. Third, Ta5 samples with optimized excessive Li (4, 6%) after milling for longer duration are sintered at 1280 °C for 30 min, 1300 °C for 10 min, 1320 °C for 10 min, 1320 °C for 30 min to finally optimize the preparation craft. After optimization, the Ta5 ceramics with excessive 4 and 6% Li sintered at 1320 °C for 10 min deliver homogeneous and dense cross-sectional morphology, high conductivity of over 1 × 10–3 S cm–1 at room temperature, and relative densities of above 96%. Furthermore, symmetric Li cells assembled with the Ta-LLZO solid electrolyte prepared with the optimized method deliver a critical current density of 1.28 mA cm–2 at 30 °C and over 1000 h of stable cycling at 0.2 mA cm–2 (0.2 mA h cm–2) at 30 °C.
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