The composition-dependent conductivity of Li7La3Zr2O12 ceramics investigated by spatially resolved impedance spectroscopy

Abstract

Eines der größten Probleme moderner Li-Batterien ist die chemische Instabilität ihrer organischen Elektrolyte. Aus diesem Grund konzentriert sich ein Teil der Batterieforschung darauf, organische Elektrolyte durch anorganische Festkörperelektrolyte zu ersetzen. Aktuell ist der kubische Granat Li7La3Zr2O12 (LLZO) einer der aussichtsreichsten Kandidaten mit denen die nächste Generation von Festkörperlithiumbatterien gebaut werden könnte. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie über die Auswirkung von Zusammensetzungsvariationen, und die damit zusammenhängende Probensinterung auf das Betriebsverhalten von LLZO. Untersuchungen wurden mit Hilfe elektrochemischer Impedanzspektroskopie durchgef¨uhrt. Einflüsse wie Sintertemperatur, Herstellungsprozedur und Probengeometrie werden untersucht und Gründe für die starken Schwankungen der effektiven Leitfähigkeit diskutiert. Neben Messungen der effektiven ionischen Leitfähigkeit von Lithium wurden auch Messungen an mikrostrukturierten Elektroden durchgeführt, welche es erlauben Informationen über lokale Leitfähigkeiten zu erhalten. Diese Resultate wurden kombiniert mit ICP-OES (induktiv gekoppeltes Plasma - optische Emissionsspektroskopie), um zu analysieren, welchen Einfluss Lithium oder Aluminium (Dotierelement) auf die Li-Ionenleitfähigkeit ausübt.

Current Li-ion batteries suffer from problems caused by the chemical instability of their organic electrolyte. Therefore, a lot of research focuses on replacing the organic electrolyte by inorganic solid ion conductors. The cubic Li7La3Zr2O12 (LLZO) garnet and its variants are among the most promising candidates for next generation all solid state Li-ion batteries. This thesis resents a detailed study on effects of compositional variations and of common sintering techniques on the overall performance of LLZO, investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Roles of sintering temperature, preparation procedure and sample dimension are considered and reasons behind severe variations of effective Li-ion conductivities are discussed. Besides overall Li-ion conductivity, measurements on microelectrodes were performed to obtain information on local Li-ion conductivities. Those were combined with ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry) measurements to analyze how variations in lithium and aluminium (dopant) content affect the Li-ion conductivity.