Un método para las propiedades electroquímicas integrales de electrolitos sólidos
En el rápido desarrollo de la industria del litio, mejorar la densidad de energía y la seguridad de la batería es una dirección de investigación importante de los investigadores de litio, todas las baterías de estado sólido se consideran la aplicación potencial más futura de alta seguridad, batería secundaria de alta energía específica, electrolito sólido (Electrolito sólido, abreviado como SE) es el componente central principal y se utiliza para juzgar el rendimiento del electrolito sólido del índice de rendimiento principal para la conductividad iónica, la conductividad electrónica y la estabilidad de la interfaz (de acuerdo con la batería de litio de estado sólido estándar del grupo publicada con electrolito sólido requisitos de rendimiento y método de prueba). Por un lado, la densidad, rugosidad e integridad de la lámina de electrolito sólido prensado determinan la conductividad del electrolito sólido y su rendimiento en el ciclo de la celda completa; por otro lado, la fuerza estable y uniforme durante la prueba puede garantizar la precisión de los resultados de la prueba. Por lo tanto, los sistemas de producción y prueba que pueden ejercer una presión estable y estandarizada son cruciales para el desarrollo de electrolitos sólidos y sus baterías de metal de litio.
Figura 1. Diagrama esquemático de la prueba de electrolitos en estado sólido
1. Pruebe el equipo
El sistema de prueba de electrolitos sólidos SEMS1100 (desarrollado conjuntamente por IEST y la Universidad de Xiamen), es una prueba multifuncional dedicada a muestras de electrolitos sólidos, que integra placa de presión, pruebas, cálculo del rendimiento químico automático del equipo de medición de electrolitos sólidos. El sistema adopta un diseño de estructura integrada, que incluye un módulo presurizado, un módulo de prueba electroquímica, un módulo de medición de densidad, un módulo de sujeción y prensado de láminas de cerámica, etc., que es adecuado para probar varios óxidos, sulfuros, polímeros y otros electrolitos sólidos.
Figura 2. Diagrama esquemático del equipo del sistema de prueba de electrolitos de estado sólido
2. Dirección de aplicación
2.1 Producción de polvo
Para evaluar las propiedades electroquímicas del polvo de electrolito sólido, y las muestras con contacto de interfaz deficiente también necesitan rociar un metal conductor en la superficie como electrodo de bloqueo de iones, la aplicación de fuerza y la uniformidad afectarán en gran medida la integridad de la lámina de cerámica preparada, Figura 3 muestra una imagen macro de piezas de cerámica obtenidas de diferentes dispositivos de prensado. La aplicación de fuerza uniforme del equipo SEMS1100 se usa para preparar la lámina cerámica de electrolito sólido. Muestras completas y uniformes en diferentes rangos de presión. Reduce el riesgo de destrucción de la muestra. Mejora el rendimiento. y probar la eficiencia.
Figura 3. Comparación de los resultados de producción de diferentes dispositivos
2.2 Lon Conductividad eléctrica
Los dos materiales de electrolitos sólidos diferentes Li1.3Al0.3Ti1.7 (PO4) 3 (LATP) y Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (LLZO) y su espectro de impedancia electroquímica y cambio de conductividad iónica, como se muestra en la Figura 4, aplicando diferentes presión cuantitativa a las tabletas de cerámica sándwich y midiendo su espectro de impedancia electroquímica, la presión de prueba puede afectar su conductividad iónica en diversos grados, lo que indica la necesidad de probar las propiedades electroquímicas del electrolito sólido aplicando una presión cuantificada estable.
Figura 4. Espectros de impedancia electroquímica de dos electrolitos sólidos y su conductividad iónica a la presión
2.3 Conductividad electrónica y densidad de compactación
A través del equipo SEMS 1100 se puede probar simultáneamente la conductividad electrónica y la densidad de compactación del polvo LATP durante el proceso de lampresado, y se encuentra que la densidad de compactación va desde los 1.7g/cm iniciales con el aumento de la presión aplicada3 Aumentarlo a 2,1 g / cm3 Sin embargo, la conductividad electrónica es estable en torno a 50 MPa, es decir, la densidad y la tendencia de la conductividad electrónica de los materiales de electrolitos sólidos no son completamente consistentes, lo que indica que bajo diferentes condiciones de presión, se necesitan diferentes pruebas para sincronizar las características del electrolito sólido para Obtenga resultados de medición completos y precisos.
Figura 5.L ATP Cambio de conductividad electrónica y densidad de compactación del electrolito sólido
2.4 Rendimiento de reciclaje de la batería de metal de litio de estado sólido
La batería simétrica Li-SE-Li se ensambla en el dispositivo de sellado a juego SEMS 1100, aplica diferentes presiones respectivamente, prueba la deposición circulante de metal de litio, mide el cambio potencial de la batería simétrica, puede ver que cuando la presión aplicada cae de 120MPa a 110MPa, el sobrepotencial de la batería aumenta significativamente, lo que muestra que el comportamiento de deposición de la batería de metal de litio es relativamente sensible al cambio de presión, y es importante evaluar la estabilidad de la interfaz del electrolito sólido cambiando la presión aplicada.
Figura 6. Ciclo de prueba de carga y descarga de una batería simétrica
2.5 Ventana de estabilización electroquímica
La batería de acero inoxidable Li-SE se ensambla en el dispositivo de sellado correspondiente SEMS 1100, y la voltamperometría cíclica prueba su potencial redox. Se puede ver que cuando el sobrepotencial sube a 3V, la densidad de corriente oxidativa de la batería es de sólo 1,2 A cm-2 esto demuestra que el electrolito sólido es relativamente estable en una ventana de voltaje de 0~3V, es decir, la prueba electroquímica de presurización y sellado de diferentes materiales de electrolito sólido y sus baterías de metal litio se puede realizar a través del equipo SEMS 1100.
Figura 7. Prueba de ventana electroquímica de electrolitos de estado sólido
3. Resumen
Este documento utiliza el sistema de prueba integrado de electrolito sólido SEMS1100, para todo tipo de materiales de electrolito sólido, placa y prueba de rendimiento electroquímico, se puede evaluar con precisión en diferentes condiciones de presión cuantitativa en la conductividad de iones de electrolito sólido, conductividad de electrones, densidad de compactación, ventana electroquímica y Estabilidad de la interfaz de la batería de metal de litio y rendimiento del ciclo, para que los investigadores comprendan y desarrollen material de electrolito sólido, para acelerar la investigación de electrolito sólido.
Documentación de referencia
1. Huang Xiao, Wu Linbin, Huang Zhen, et al. Métodos de prueba electroquímicos en Ion Solid and Electrolysis Research, Energy Storage Science and Technology, 2020,9 (2): 479-500.
2. Yong-Gun Lee, Satoshi Fujiki, Changhoon Jung, et al. Baterías de metal de litio de estado sólido y ciclo largo de alta energía habilitadas por ánodos compuestos de plata y carbono. 2020, 4(5): 299-308.
3. Nicholas Williard a, Chris Hendricks a, Jaesik Chung, et al. Efectos de la presión externa sobre la estabilidad de fase y la velocidad de difusión en las células de iones de litio. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2021, 895, 115400.
4. T/SPSTS 019- -2021; Requisitos de rendimiento y métodos de prueba de electrolitos de estado sólido para baterías de litio de estado sólido; óxido inorgánico; Electrolitos de estado sólido para electrolitos de estado sólido.