Effect of Ga+3 Substitution on The Ionic Conduction and Relaxation Properties of Li5+2xLa3Ta2-xGaxO12 Lithium Ionic Conductors

No Thumbnail Available
Date
2018
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
Solid-state lithium ionic conductors are interesting materials for application in all solid-state lithium ion batteries. In this regards, Li5La3Ta2O12 (LLT) lithium ion conductors with the garnet-like structure have attained considerable interest due to their high ionic conductivity and chemical and thermal stability. In the current work, we studied the effect of Ga+3 substitution on the Ta+5 site in Li5+2xLa3Ta2-xGaxO12 (LLTGa, x = 0 – 0.50) in order to enhance the lithium ionic conductivity of the garnet materials. We found that considerable enhancement of the lithium ionic conductivity is achieved in these garnets. In Li5.6La3Ta1.7Ga0.3O12 garnets, for example, the ionic conductivity increased by about one orders of magnitude to a value of 4 × 10−5 S/cm compared to the LLT pure phase. We have been using mechanical milling techniques and solid state reaction for the preparation of the current material. The ceramics samples of the investigated materials are prepared via two techniques; the conventional sintering (CS) and spark plasma sintering (SPS) techniques at different temperatures. We have characterized the product materials by standard techniques including X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM) for structural and microstructure study. The electrical (Ionic conduction) and relaxation properties of the product materials will be studied by impedance spectroscopy over wide ranges of temperature and frequency. The impedance, electric modulus, conductivity, and dielectric permittivity data will be thoroughly analyzed by appropriate equivalent circuits and theoretical models in order to understand the origin of the ionic conductivity. Moreover, the dielectric properties were studied for the current materials. All of the garnet materials exhibit giant values of the dielectric constant of ε’ > 1000. We show that this giant values of ε’ were attained not due to interfacial polarization at the sample/electrode interfaces, but due to some internal effects in the materials.
Description
موصلات الليثيوم الأيونية ذات تركيب الجارنيت لها أهمية تطبيقية في بطاريات الليثيوم. من أجل استعمال هذه المواد يجب ان تكون قيمة الموصلية الأيونية في حدودS/cm 103-102، ولذلك يجب العمل على تحسين خصائص التوصيل الأيوني. في هذ العمل درسنا تأثير التطعيم بعنصر الجاليوم Ga محل عنصر التانتالوم Ta5 على خصائص التوصيل الأيوني في المركب LisLasa2012 أي قمنا بدراسة تأثير الاحلال الكيميائي بعناصر Gas في موقع Tats على الخصائص الكهربية. وقد وجدنا أن عملية الاحلال الكيميائي أدت إلى زيادة كبيرة في قيمة الموصلية الأيونية لليثيوم، ففي مركب 3012 is lasar Ga على سبيل المثال قد زادت قيمة الموصلية الكهربية إلى 105 x 4 S/cm عند درجة حرارة الغرفة. هذه القيمة أكبر تقريبا بعشرة أضعاف عن الموصلية الأيونية المنشورة سابقا لمركب LLT النقي. تم تحضير المواد قيد الدراسة باستخدام الطحن الميكانيكي وتفاعل الحالة الصلبة. أما عملية التلبيد تمت باستخدام الطريقة التقليدية وطريقة شرارة البلازما spark plasma sintering عند درجات حرارة مختلفة. تعتبر الطريقة التقليدية قادرة على تحضير مواد سيراميكية من المسحوق في الحجم الميكرومتري، بينما يمكن باستخدام تقنية spark plasma sintering للتحكم في حجم الحبيبات لتحضر مواد سيراميكية الحجم النانومتري قمنا بتوصيف المواد الناتجة باستخدام حيود الأشعة السينية والميكروسكوب الإلكتروني الماسح، وذلك لدراسة التركيب البلوري و التغيرات الطورية المحتملة والتركيب الدقيق للمواد. وقد قمنا دراسة الخواص الكهربية عن طريق قياسات أطياف الممانعة الكهربية impedance spectroscopy في مدى عريض من الترددات ودرجات الحرارة. من هذه القياسات تمكنا من دراسة تأثير اعتماد الموصلية الكهربية على درجة الحرارة وتعيين طاقة التنشيط للتوصيل الأيوني. وقد قمنا كذلك بدراسة ظاهرة الاسترخاء عن طريق تحليل أطياف المعامل الكهربي (electric modulus) ودراسة ثابت العزل الكهربي للمواد المختلفة. وقد وجدنا أن جميع المواد قيد الدراسة لها ثابت عزل كهربي عملاق ع ' 1000 < وقد بينا أن هذه القيم الكبيرة لثابت العزل ليست نتيجة لظاهرة الاستقطاب عند الاقطاب، ولكنها نتيجة لتأثيرات داخلية في المواد.
Keywords
Citation
Collections