I ricercatori della Toyohashi University of Technology hanno fabbricato con successo un film spesso di catodo di trivanadato di litio (LVO) su un elettrolita solido di ossido di tipo granato utilizzando il metodo di deposizione di aerosol. Il film spesso del catodo LVO fabbricato sull'elettrolita solido ha mostrato una grande capacità di carica e scarica reversibile fino a 300 mAh/g e una buona stabilità di ciclo a 100 ºC. Questa scoperta può contribuire alla realizzazione di batterie al litio a stato solido a base di ossido altamente sicure e chimicamente stabili. I risultati della ricerca sono stati riportati in Materiali il 1° settembre, 2018.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (LiB) sono state ampiamente utilizzate a livello globale come fonte di alimentazione per dispositivi elettronici mobili come smartphone, compresse, e computer portatili a causa della loro alta densità di energia e delle buone prestazioni ciclistiche. Recentemente, lo sviluppo di LiB di media e grande scala è stato accelerato per l'uso nella propulsione automobilistica e nel livellamento del carico stazionario per la generazione intermittente di energia da energia solare o eolica. Però, una batteria di dimensioni maggiori causa problemi di sicurezza più gravi nei LIB; uno dei motivi principali è l'aumento della quantità di elettroliti liquidi organici infiammabili.

Si prevede che i LiB allo stato solido con conduttori agli ioni di litio inorganici non infiammabili (Li+) come elettroliti solidi (SE) rappresentino la prossima generazione di dispositivi di accumulo di energia a causa della loro elevata densità di energia, sicurezza, e affidabilità. I materiali SE devono avere non solo un'elevata conducibilità agli ioni di litio a temperatura ambiente, ma anche deformabilità e stabilità chimica. I materiali SE a base di ossido hanno una conduttività relativamente bassa e una scarsa deformabilità rispetto a quelli a base di solfuri; però, hanno altri vantaggi come la stabilità chimica e la facilità di manipolazione.

L'ossido veloce conduttore di Li+ di tipo granato, Li7-xLa ₃ Zr _2-x TasseO ₁₂ (x =0,4-0,5, LLZTO), è considerato un buon candidato per SE a causa della sua buona proprietà di conduzione ionica e dell'elevata stabilità elettrochimica. Però, la sinterizzazione ad alta temperatura a 1000-1200 ºC è generalmente necessaria per la densificazione, e questa temperatura è troppo alta per sopprimere la reazione secondaria indesiderata all'interfaccia tra SE e la maggior parte dei materiali degli elettrodi. Perciò, ci sono attualmente materiali elettrodici limitati che possono essere utilizzati per batterie allo stato solido con SE di tipo granato sviluppati dal processo di co-sinterizzazione.

Ryoji Inada e i suoi colleghi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione, Università di tecnologia di Toyohashi, riuscito a fabbricare un trivanadato di litio (LiV ₃ oh ₈ , LVO) catodo a film spesso su LLZTO di tipo granato utilizzando il metodo di deposizione di aerosol (AD). Tutti i campioni di cellule allo stato solido sono stati preparati e testati utilizzando il composito fabbricato.

Il metodo AD è noto per essere un processo di fabbricazione di film a temperatura ambiente, che utilizza il consolidamento a impatto di particelle ceramiche su un substrato. Controllando la dimensione e la morfologia delle particelle, film spessi ceramici densi possono essere fabbricati su vari substrati senza trattamento termico. Questa caratteristica è interessante nella fabbricazione di batterie allo stato solido a base di ossido perché vari materiali elettrodici attivi possono essere selezionati e formati su SE senza alcun trattamento termico.

LVO è stato studiato a lungo come materiale catodico per batterie a base di Li a causa della sua grande capacità di immagazzinamento di Li+ di circa 300 mAh/g. Però, la fattibilità di LVO come catodo per batterie a stato solido non è stata ancora studiata. La reazione di LVO inizia alla scarica (cioè, processo di inserimento Li+), che differisce da quello di altri materiali catodici convenzionali di LiB come LiCoO ₂ , LiMn ₂ oh ₄ , e LiFePO ₄ . Perciò, anodi di grafite, che sono ampiamente utilizzati negli attuali LiB, sono difficili da usare in batterie con catodi LVO. Nelle batterie a stato solido con SE di tipo granato, Gli elettrodi in metallo di litio possono essere potenzialmente utilizzati come anodi; così, LVO diventerebbe un candidato attraente per i catodi ad alta capacità.

Per fabbricare un film LVO denso su un pellet LLZTO, la dimensione delle particelle di LVO è stata controllata mediante macinazione a sfere. Di conseguenza, un film spesso LVO con uno spessore di 5-6 μm è stato fabbricato con successo su LLZTO a temperatura ambiente. La densità relativa del film spesso LVO era di circa l'85%. Per la caratterizzazione elettrochimica del film spesso LVO come catodo, La lamina di metallo Li è stata attaccata sulla faccia terminale opposta del pellet LLZTO come anodo per formare una cella a stato solido strutturata LVO/LLZTO/Li. Le proprietà di carica galvanostatica (estrazione di Li+ da LVO) e scarica (inserimento di Li+ in LVO) in una cella a stato solido LVO/LLZTO/Li sono state misurate a 50 e 100 ºC.

Sebbene la polarizzazione fosse considerevolmente grande a 50 ºC, è stata confermata una capacità reversibile di circa 100 mAh/g. Con un aumento della temperatura a 100 ºC, la polarizzazione si è ridotta e la capacità è aumentata significativamente fino a 300 mAh/ga ​​una tensione media delle celle di circa 2,5 V; questo è un comportamento tipico di un elettrodo LVO osservato in un elettrolita liquido organico. Inoltre, confermiamo che le reazioni di carica e scarica nella cella a stato solido sono ciclicamente stabili a varie densità di corrente. Ciò può essere attribuito alla forte adesione tra il film LVO fabbricato tramite consolidamento per impatto e le particelle LLZTO e LVO nel film.

Questi risultati indicano che LVO può essere potenzialmente utilizzato come catodo ad alta capacità in una batteria a stato solido a base di ossido con elevata sicurezza e stabilità chimica, anche se sono necessarie ulteriori indagini per migliorare le prestazioni. I ricercatori hanno condotto ulteriori studi per realizzare batterie a stato solido a base di ossido a temperature di esercizio inferiori.