Cold sintering of oxide-based llto and llzo solid-stateelectrolytes and their integration into lithium metalbatteries

Perovskit tipi Li₃ₓLa₂⁄₃₋ₓTiO₃ (LLTO) ve garnet tipi Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) gibi oksit esaslı katı elektrolitler, yüksek iyonik iletkenlikleri ve kararlılıkları sayesinde yeni nesil katı hâl lityum pilleri için umut verici adaylardır. Ancak bu malzemelerin pratik kullanımı, yüksek sıcaklıkta sinterleme gereksinimi ve elektrot-elektrolit entegrasyonundaki zorluklar nedeniyle sınırlanmaktadır. Bu tez kapsamında, LLTO ve LLZO kompozitleri için düşük sıcaklıkta bir üretim yöntemi olarak soğuk sinterleme süreci araştırılmış; geçici çözücüler ve orta seviyede basınç kullanılarak, 150 °C'nin altında ve 30 dakika içinde yoğunlaştırma sağlanmıştır. Sinterleme parametreleri, çözücü türü, partikül boyutu ve bağlayıcı-tuz içeriği optimize edilerek 10⁻⁴ S/cm'den büyük iyonik iletkenlikler elde edilmiştir. LLTO'nun LiFePO₄ (LFP) ve LLZO'nun LiCoO₂ (LCO) katotlarıyla yaklaşık 100 °C'de birlikte sinterlenmesi, yapısal veya kimyasal bir bozulmaya uğramadan başarıyla gerçekleştirilmiştir. LLTO ile lityum metal arasındaki kararsızlığı önlemek amacıyla, az miktarda LiPF₆ bazlı elektrolitle ıslatılmış bir PVDF membran kullanılmış; böylece Ti⁴⁺ iyonunun indirgenmesi etkili bir şekilde bastırılmış ve arayüz direnci kararlı hâle getirilmiştir. Üretilen Li/PVDF/LLTO/LFP tam hücreleri, sırasıyla 0.1 C ve 0.2 C akım hızlarında 151 mAh/g ve 135 mAh/g boşalma kapasiteleri sunmuştur. Benzer şekilde, Li/PPC-LiFSI/LLZO/LCO hücreleri de 0.1 C ve 0.2 C akım hızlarında sırasıyla 158 mAh/g ve 141 mAh/g boşalma kapasiteleri sergilemişlerdir. Ayrıca, LLTO kompozitlerinin geri dönüştürülebilirliği de doğrulanmıştır. On döngü sonrasında bile LLTO, yüksek kristal yapısını ve faz saflığını korumuş; yaklaşık 2 × 10⁻⁴ S/cm seviyesinde yüksek iyonik iletkenlik göstermiştir.