Wpływ składu chemicznego na spiekalność i przewodnictwo jonów litu w La2/3-xLi3xTiO3 – ceramicznym elektrolicie stałym o strukturze perowskitu

Wydajność nowej generacji akumulatorów litowych typu all-solid-state, które w przyszłości mogą stać się bezpieczniejszą alternatywą dla tradycyjnych akumulatorów Li-ion, będzie zależała m.in. od możliwości zastosowania elektrolitów stałych o wysokim przewodnictwie jonowym. Transport jonów w polikrystalicznych spiekach jest złożonym zjawiskiem, na które wpływają zarówno ruchliwość i koncentracja nośników w sieci krystalicznej, jak i opór granic międzyziarnowych oraz porowatość spieków. Niniejsza praca dotyczy związku pomiędzy składem chemicznym i gęstością względną a przewodnictwem jonowym materiałów z grupy tlenków o strukturze perowskitu La2/3-xLi3xTiO3, wykazujących wysoką ruchliwość jonów litu już w temperaturze pokojowej. Przy użyciu techniki dylatometrycznej wykazano, że w badanym układzie proces reaktywnego spiekania rozpoczyna się powyżej 1000 °C, a całkowity skurcz spiekania, jak i jego dynamika silnie zależą od składu chemicznego spieków; wzrost zawartości litu powoduje wzrost szybkości spiekania i skutkuje większymi wartościami końcowej gęstości względnej. Jednoczesny wpływ koncentracji nośników ładunku w podsieci litu w strukturze krystalicznej La2/3-xLi3xTiO3 i porowatości uzyskiwanych spieków prowadzi do maksymalnej wartości przewodnictwa jonowego wynoszącej 3,5•10-5 S•cm-1 w temperaturze pokojowej dla materiału o składzie La0,59Li0,24TiO3.

---

Efficiency of a new generation all-solid-state lithium batteries, which in the future have a chance to become a safer alternative for conventional Li-ion batteries, depends, among others, on availability of high ionic conductivity solid electrolytes. Ion transport in a polycrystalline solid is a complex phenomenon affected by mobility and concentration of charge carriers in the crystal lattice as well as the grain boundary resistance and porosity of the sintered body. This work reports on relation between chemical composition, relative density and ionic conductivity in a La2/3-xLi3xTiO3 perovskite-structured oxide which exhibits high lithium-ion mobility already at room temperature. Using a dilatometry technique, it is shown that reactive sintering commences above 1000 °C in the studied system, and the total shrinkage and dynamics of sintering strongly depends on the lithium content – more lithium causes the sintering rate and final relative density increased. Simultaneous effects of the concentration of charge carriers in the lithium sublattice of the La2/3-xLi3xTiO3 crystal structure and the porosity of sintered materials lead to maximum ionic conductivity of 3.5•10-5 S•cm-1 at room temperature for the La0,59Li0,24TiO3 composition.