Ba、Ga共掺杂对石榴石型固态电解质Li 7 La 3 Zr 2 O 12 显微组织及电导率的影响
发布时间：2021-07-04 14:03
采用固相法合成了Ba与Ga共掺杂的Li7La3Zr2O12（LLZO）石榴石型固态电解质粉末,再结合常压烧结制备了Ba、Ga共掺杂LLZO样品。采用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析和交流阻抗法对样品的物相结构、微观形貌、成分分布及电导率进行了表征。结果表明,在烧结温度1 100℃下得到了立方相的LLZO固态电解质。当Ga的含量在LLZO化学式中为0.15,Ba掺杂量从0增加至0.15(Ga0.15Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12,x=0～0.15)时,LLZO样品的平均晶粒尺寸从14μm下降到4μm,30℃时晶界电导率由1.54×10-5S·cm-1提升到2.22×10-4S·cm-1。Ba作为一种烧结剂,改善了材料的烧结性能,降低了材料的平均晶粒尺寸,使晶粒与晶粒连接得...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
样品断面的SEM图
图4是Ga0.15Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)样品的晶粒尺寸分布图,当Ba掺杂量为0时,样品晶粒尺寸主要分布在6～35 μm,如图4a所示;当Ba的掺杂量提高到0.05时,样品晶粒尺寸主要分布在7～14 μm,如图4b所示;当Ba掺杂量提高到0.1时,样品晶粒尺寸主要分布在9～12 μm,如图4c所示;当Ba掺杂量提高到0.15时,样品晶粒尺寸主要分布在2～8 μm,如图4d所示。样品的平均晶粒尺寸从14 μm下降到4 μm。由此可见,随着Ba掺杂量的提高,样品的晶粒尺寸逐渐下降。图5是Ga0.15Ba0.15-Li6.7La2.85Zr2O12陶瓷样品断面某一大晶粒的EDS面扫描分析图(因为能谱分析仪探测的元素范围是Be(4)～U(92),故Li(3)元素分布无法检测)。从图5中可以看出,Ba、Ga、La、Zr、O元素分布较为均匀,而左下部分出现元素分布较少的原因是该晶粒左下部分的晶面与能谱分析仪探测头夹角较大,导致此区域反馈信号难以被接收器接收,故此区域元素分布的反馈信号微弱,从而使得左下部分的元素分布信息不能准确显示。
Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12的Nyquist图中晶粒响应半圆弧半径远小于晶界响应半圆弧,说明此时样品的晶界阻抗较大。当Ba元素掺入Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12材料后,Ga0.15Ba0.05-Li6.6-La2.95Zr2O12样品的Nyquist图中代表晶界电阻的半圆弧半径开始减小,当Ba掺杂量提高到0.1和0.15时,代表晶界阻抗的半圆弧半径明显减小,可知掺杂Ba元素能够提高LLZO材料的晶界电导。Ba的掺杂量从0增加至0.15,晶界电导率从1.54×10-5 S·cm-1提高至2.22×10-4 S·cm-1。结合Ga0.15-Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)陶瓷断面的微观形貌变化,即随Ba掺杂量提高,晶粒与晶粒的边界越紧密,最后出现晶粒与晶粒融合,说明Ba元素作为一种烧结剂能够改善材料的烧结性能,使晶粒连接更紧密,同时影响晶粒的生长,降低晶粒尺寸,从而有效地降低材料的晶界阻抗,提高材料整体的电导率。总而言之,掺杂Ba元素能够有效提高Ga-LLZO固态电解质的晶粒电导率和晶界电导率。相比Ga元素单掺杂的Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12样品,Ba、Ga元素共掺杂样品的总电导率提高了20倍。图6 Ga0.15Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)陶瓷在30 ℃的Nyquist图
【参考文献】：
期刊论文
[1]无机固体电解质Li7La3Zr2O12的研究进展[J]. 查文平,李君阳,阳敦杰,沈强,陈斐. 中国材料进展. 2017(10)
[2]应用于锂离子电池的无机晶态固体电解质导电性能研究进展[J]. 李杨,连芳,周国治. 硅酸盐学报. 2013(07)
本文编号：3264924
【文章来源】：材料导报. 2020,34(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
样品断面的SEM图
图4是Ga0.15Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)样品的晶粒尺寸分布图,当Ba掺杂量为0时,样品晶粒尺寸主要分布在6～35 μm,如图4a所示;当Ba的掺杂量提高到0.05时,样品晶粒尺寸主要分布在7～14 μm,如图4b所示;当Ba掺杂量提高到0.1时,样品晶粒尺寸主要分布在9～12 μm,如图4c所示;当Ba掺杂量提高到0.15时,样品晶粒尺寸主要分布在2～8 μm,如图4d所示。样品的平均晶粒尺寸从14 μm下降到4 μm。由此可见,随着Ba掺杂量的提高,样品的晶粒尺寸逐渐下降。图5是Ga0.15Ba0.15-Li6.7La2.85Zr2O12陶瓷样品断面某一大晶粒的EDS面扫描分析图(因为能谱分析仪探测的元素范围是Be(4)～U(92),故Li(3)元素分布无法检测)。从图5中可以看出,Ba、Ga、La、Zr、O元素分布较为均匀,而左下部分出现元素分布较少的原因是该晶粒左下部分的晶面与能谱分析仪探测头夹角较大,导致此区域反馈信号难以被接收器接收,故此区域元素分布的反馈信号微弱,从而使得左下部分的元素分布信息不能准确显示。
Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12的Nyquist图中晶粒响应半圆弧半径远小于晶界响应半圆弧,说明此时样品的晶界阻抗较大。当Ba元素掺入Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12材料后,Ga0.15Ba0.05-Li6.6-La2.95Zr2O12样品的Nyquist图中代表晶界电阻的半圆弧半径开始减小,当Ba掺杂量提高到0.1和0.15时,代表晶界阻抗的半圆弧半径明显减小,可知掺杂Ba元素能够提高LLZO材料的晶界电导。Ba的掺杂量从0增加至0.15,晶界电导率从1.54×10-5 S·cm-1提高至2.22×10-4 S·cm-1。结合Ga0.15-Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)陶瓷断面的微观形貌变化,即随Ba掺杂量提高,晶粒与晶粒的边界越紧密,最后出现晶粒与晶粒融合,说明Ba元素作为一种烧结剂能够改善材料的烧结性能,使晶粒连接更紧密,同时影响晶粒的生长,降低晶粒尺寸,从而有效地降低材料的晶界阻抗,提高材料整体的电导率。总而言之,掺杂Ba元素能够有效提高Ga-LLZO固态电解质的晶粒电导率和晶界电导率。相比Ga元素单掺杂的Ga0.15-Li6.55La3Zr2O12样品,Ba、Ga元素共掺杂样品的总电导率提高了20倍。图6 Ga0.15Bax-Li6.55+xLa3-xZr2O12(x=0、0.05、0.1、0.15)陶瓷在30 ℃的Nyquist图
【参考文献】：
期刊论文
[1]无机固体电解质Li7La3Zr2O12的研究进展[J]. 查文平,李君阳,阳敦杰,沈强,陈斐. 中国材料进展. 2017(10)
[2]应用于锂离子电池的无机晶态固体电解质导电性能研究进展[J]. 李杨,连芳,周国治. 硅酸盐学报. 2013(07)
本文编号：3264924
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