Properties of thin film LixLayTiO3 electrolyte for all-solid state Li-on batteries

Abstract

One of the requirements of daily life, the most preferred rechargeable batteries are Li-ion batteries because of high energy, long life cycle and eco-friendly properties. Having high energy density, no memory effect and slow energy losses, these batteries have applications in portable electronic devices, power source for space vehicles, electric cars etc. Furthermore, there is a strong interest in all solid-state rechargeable lithium-ion battery research, because these batteries will replace the conventional liquid electrolyte Li-ion batteries due to use of non-combustible inorganic solid electrolyte, which has high safety and reliability. While the bulk ionic conductivity of La0.5Li0.5TiO3 (LLTO) produced by solid-state reaction is 10-3 S/cm, the total ionic conductivity of LLTO is 10-5 S/cm. Another way to increase ionic property is to dope the solid electrolyte with transition metals. The substitution of transition metal leads to decrease of the lattice parameter because of reduced average ionic radius. This causes increase of Li-ion content and also ionic conductivity. In this study, initially pure and Al doped targets were fabricated by using solid-state reaction after that the available targets are placed to the sputtering gun. When the all optimizations of the system were completed, pure and Al doped LLTO thin films were deposited by RF (radio frequency) magnetron sputtering technique on ITO coated soda lime glass substrates. While the thin film was been deposited, the substrate was heated at approximately 220 oC. For ionic conductivity measurement of the Al doped LLTO electrolyte, small circular Al contact regions were created on Al doped LLTO thin films by thermal evaporation system. Afterword the impedance spectra of the sandwich structure in a frequency range of 1 Hz - 200 MHz was recorded by using probe station. Thickness, the crystal structure, optical transmission, chemical compositions, surfaces and porosity of the thin films are investigated by surface profilometer, XRD, UV-Visible Spectroscopy, XPS, and Raman Spectroscopy respectively.

Gündelik hayatın gereksinimlerinden biri olan şarj edilebilir bataryaların içinde ağırlıklarına ve büyüklüklerine oranla verebildikleri yüksek enerji, uzun yaşam döngüleri ve çevre dostu özelliklerinden dolayı Li-iyon pilleri çokça tercih edilmektedir. Tamamen katı hal, doldurulabilir lityum iyon piller uygulama açısından yüksek potansiyele sahiptir. Çünkü geleneksel sıvı elektrolitli lityum pillerin yerini alacak olan bu pillerin yanmayan inorganik katı elektrolit kullanılması dolayısıyla güvenilirliği yüksektir. Taşınabilir elektronik cihazlardan uzay araçları için güç kaynağına, elektrikli arabalara kadar yaygın kullanım alanına sahip olabilecek bu pillerde enerji yoğunluğu yüksektir ve hafıza etkisi yoktur. Katı hal reaksiyonu ile üretilen La0.5Li0.5TiO3 (LLTO)’nun yığın iyonik iletkenliği 10-3 S/cm gibi yüksek bir değere sahip olmasına rağmen çoklu kristal yapıdaki tanecikler arasındaki zayıf bağlar sebebi ile toplam iyonik iletkenlik 10-5 S/cm olarak bulunmaktadır. İyonik iletkenliği arttırmanın bir yolu katı elektrolit katmanını geçiş metalleri ile katkılamaktır. Geçiş metali olan alüminyum ile katkılanan LLTO katı elektrolitlerin kafes parametresi ortalama iyonik yarıçapın azalması nedeni ile küçülür. Böylece Li-iyon içeriği ve dolayısıyla iyonik iletkenlik seviyesi artacaktır. Bu çalışmada alüminyum katkılı La0.5Li0.5TiO3 (LLTO) katı elektrolit yüksek vakumda RF (radyo frekans) mıknatıssal saçtırma yöntemi ile ITO kaplanmış mikroskop camı üzerine alttaş ısıtılarak büyütülmüştür. Kalınlık, optiksel geçirgenlik ve yapısal analizler, yüzey ölçer, XRD, XPS, Raman Spektroskopisi gibi cihazlar kullanılarak yapılmıştır. Al-katkılı ve saf LLTO ince filmlerin iyonik iletkenliği 1 Hz – 200 MHz frekans aralığında empedans analizörü ile prob istasyonunda ölçülmüştür. Bu ölçüm için saf ve Al katkılanmış LLTO ince filmler üzerine termal buharlaştırma yöntemi ile küçük dairesel alüminyum kontak alanları oluşturularak iyonik iletkenlik ölçümleri tamamlanmıştır.