Des chercheurs de l'Université de technologie de Toyohashi ont réussi à fabriquer un film épais de cathode de trivanadate de lithium (LVO) sur un électrolyte solide d'oxyde de type grenat en utilisant la méthode de dépôt par aérosol. Le film épais de cathode LVO fabriqué sur l'électrolyte solide a montré une grande capacité de charge et de décharge réversible aussi élevée que 300 mAh/g et une bonne stabilité de cyclage à 100 ºC. Cette découverte peut contribuer à la réalisation de batteries au lithium à l'état solide à base d'oxydes hautement sûres et chimiquement stables. Les résultats de la recherche ont été rapportés dans Matériaux le 1er septembre, 2018.

Les batteries lithium-ion rechargeables (LiB) ont été largement utilisées dans le monde comme source d'alimentation pour les appareils électroniques mobiles tels que les téléphones intelligents, comprimés, et les ordinateurs portables en raison de leur densité énergétique élevée et de leurs bonnes performances en cyclisme. Récemment, le développement de LiB à moyenne et grande échelle a été accéléré pour une utilisation dans la propulsion automobile et le nivellement de charge stationnaire pour la production d'électricité intermittente à partir de l'énergie solaire ou éolienne. Cependant, une taille de batterie plus grande entraîne des problèmes de sécurité plus graves dans les LIB ; l'une des principales raisons est la quantité accrue d'électrolytes liquides organiques inflammables.

Les LiB tout solides avec des conducteurs Li-ion (Li+) inorganiques ininflammables en tant qu'électrolytes solides (SE) devraient être la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie en raison de leur densité énergétique élevée, sécurité, et fiabilité. Les matériaux SE doivent non seulement avoir une conductivité lithium-ion élevée à température ambiante, mais aussi déformabilité et stabilité chimique. Les matériaux SE à base d'oxyde ont une conductivité relativement faible et une faible déformabilité par rapport à ceux à base de sulfure; cependant, ils présentent d'autres avantages tels que la stabilité chimique et la facilité de manipulation.

L'oxyde conducteur Li+ rapide de type grenat, Li7-xLa 3 Zr 2-x TaxeO 12 (x =0,4-0,5, LLZTO), est considéré comme un bon candidat pour SE en raison de sa bonne propriété de conduction ionique et de sa stabilité électrochimique élevée. Cependant, un frittage à haute température à 1000-1200 ºC est généralement nécessaire pour la densification, et cette température est trop élevée pour supprimer la réaction secondaire indésirable à l'interface entre SE et la majorité des matériaux d'électrode. Par conséquent, il existe actuellement des matériaux d'électrode limités qui peuvent être utilisés pour les batteries à l'état solide avec des SE de type grenat développés par le processus de co-frittage.

Ryoji Inada et ses collègues du Département de génie électrique et électronique de l'information, Université de technologie de Toyohashi, réussi à fabriquer un trivanadate de lithium (LiV 3 O 8 , LVO) cathode à couche épaisse sur LLZTO de type grenat en utilisant la méthode de dépôt par aérosol (AD). Des échantillons de cellules entièrement à l'état solide ont été préparés et testés à l'aide du composite fabriqué.

La méthode AD est connue pour être un procédé de fabrication de film à température ambiante, qui utilise la consolidation par impact de particules céramiques sur un substrat. En contrôlant la taille et la morphologie des particules, des films épais en céramique dense peuvent être fabriqués sur divers substrats sans traitement thermique. Cette caractéristique est intéressante dans la fabrication de batteries à l'état solide à base d'oxyde car divers matériaux actifs d'électrode peuvent être sélectionnés et formés sur SE sans traitement thermique.

Le LVO a été longuement étudié comme matériau de cathode pour les batteries à base de Li en raison de sa grande capacité de stockage Li+ d'environ 300 mAh/g. Cependant, la faisabilité du LVO comme cathode pour les batteries à l'état solide n'a pas encore été étudiée. La réaction du LVO s'amorce au moment de la décharge (c'est-à-dire, procédé d'insertion Li+), qui diffère de celui d'autres matériaux cathodiques conventionnels de LiBs tels que LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , et LiFePO 4 . Par conséquent, anodes en graphite, qui sont largement utilisés dans les LiB actuels, sont difficiles à utiliser dans les batteries à cathodes LVO. Dans les batteries à semi-conducteurs avec SE de type grenat, Des électrodes en métal Li peuvent éventuellement être utilisées comme anodes; Donc, LVO deviendrait un candidat attractif pour les cathodes de grande capacité.

Pour fabriquer un film LVO dense sur une pastille LLZTO, la taille des particules LVO a été contrôlée par broyage à billes. Par conséquent, un film épais LVO d'une épaisseur de 5-6 µm a été fabriqué avec succès sur LLZTO à température ambiante. La densité relative du film épais de LVO était d'environ 85 pour cent. Pour la caractérisation électrochimique de la couche épaisse LVO en tant que cathode, Une feuille de métal Li a été fixée sur la face d'extrémité opposée de la pastille de LLZTO en tant qu'anode pour former une cellule à l'état solide structurée LVO/LLZTO/Li. Les propriétés de charge galvanostatique (extraction de Li+ de LVO) et de décharge (insertion de Li+ dans LVO) dans une cellule tout solide LVO/LLZTO/Li ont été mesurées à 50 et 100 ºC.

Bien que la polarisation était considérablement grande à 50 ºC, une capacité réversible d'environ 100 mAh/g a été confirmée. Avec une augmentation de la température à 100 ºC, la polarisation a diminué et la capacité a augmenté de manière significative jusqu'à 300 mAh/g à une tension de cellule moyenne d'environ 2,5 V; c'est un comportement typique d'une électrode LVO observée dans un électrolyte liquide organique. En outre, nous confirmons que les réactions de charge et de décharge dans la cellule à l'état solide sont cyclées de manière stable à différentes densités de courant. Cela peut être attribué à la forte adhérence entre le film LVO fabriqué par consolidation par impact et les particules LLZTO et LVO dans le film.

Ces résultats indiquent que le LVO peut potentiellement être utilisé comme cathode de haute capacité dans une batterie à l'état solide à base d'oxyde avec une sécurité et une stabilité chimique élevées, même si des investigations supplémentaires sont nécessaires pour améliorer les performances. Les chercheurs ont mené d'autres études pour réaliser des batteries à l'état solide à base d'oxyde à des températures de fonctionnement plus basses.