Lityum katı elektrolitlerin sıvı faz sentezi üzerindeki etkisi

Toyohashi Teknoloji Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Bilgi Mühendisliği Bölümü’nden Hirotada Gamo, Atsushi Nagai ve Atsunori Matsuda, dielektrik sabiti ile karakterize edilen solvent polaritesinin, sıvı faz sentezinde kristalli Li₇ P₃ S₁₁ oluşumunda önemli bir rol oynadığını, tüm katı hal lityum-iyon pillerinin ikincil için katı bir elektrolit olduğunu göstermiştir. 

Tamamen katı hal piller, yüksek güvenlik ve enerji yoğunlukları nedeniyle yeni nesil piller olarak dikkat çekiyor. Katı hal pillerin pratik uygulaması, yüksek iyonik iletkenliğe sahip sülfit katı elektrolitler için seri üretim teknolojisi gerektirir. Katı elektrolitler için sentez yöntemleri arasında sıvı faz sentezi, düşük maliyeti ve seri üretime uygunluğu nedeniyle en umut verici olanıdır. Li₇ P₃ S₁₁ iken yüksek iyonik iletkenliği nedeniyle tüm katı hal pilleri için katı elektrolit adaylarından biridir ancak çözücünün kristalli Li₇ P₃ S₁₁’in sıvı faz sentezi üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle araştırma grubu, çeşitli fiziksel ve kimyasal özelliklere (dielektrik sabiti, molekül yapısı, kaynama noktası gibi) sahip sekiz organik çözücüyü seçti ve çözücü türlerinin Li₇ P₃ S₁₁’in sıvı faz sentezindeki reaksiyon üzerindeki etkisini ortaya çıkardı. İncelenen çözücüler arasında, çözücü olarak 1,4-dioksan (Dox), tetrahidropiran (THP) ve asetonitril (ACN) kullanımının kristalli Li₇ P₃ S₁₁ oluşumuyla sonuçlandığını bulmuşlardır ve daha yüksek dielektrik sabitleri olan organik çözücülerde daha yüksek iletkenlik elde edilme eğilimindedir. Numuneye uygulanan çözücünün dielektrik sabiti ne kadar yüksek olursa, ısıl işlem işlemi sırasında desolvasyonun meydana geldiği sıcaklık o kadar yüksek olur.

Sıvı faz işlemeye dayalı sülfür bazlı katı elektrolitler için sentez teknolojisi, katı hal piller için en uygun tasarımın elde edilmesiyle ilgili olarak büyük ilgi görmüştür. Burada, süperiyonik iletken Li₇ P₃ S₁₁’in sıvı fazdaki sentezi için çözücü seçimindeki kriterler sistematik inceleme yoluyla açıklanmıştır. Potansiyel Li₇ P₃ S₁₁ kaynağı olan 70Li₂S-30P₂S₅ sistemi, farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip sekiz organik çözücü kullanılarak sulu kimyasal tepkime ile Li₇ P₃ S₁₁ oluşumunda önemli bir rol oynadığı belirtilmiştir. Dielektrik sabiti ile karakterize edilen çözücü polaritesinin, sulu kimyasal reaksiyon yoluyla kristalli Li₇ P₃ S₁₁ oluşumunda etkisi önemli derecededir. Bununla birlikte yüksek dielektrik katsayısına sahip ACN çözücüsünün, yüksek saflıkta kristal Li₇ P₃ S₁₁’e ve yüksek iyonik iletkenliğe yol açtığı keşfedilmiştir. Yüksek kaynama noktasına ve sterik engellemeye neden olan halka yapıdaki çözücülerin, Li₇ P₃ S₁₁ bazlı katı elektrolitin sulu kimyasal sentezi için uygun olmadığı belirlenmiştir. Özetle, dielektrik sabiti, moleküler yapısı ve kaynama noktası temelinde yüksek saflıkta kristalli bir Li₇ P₃ S₁₁ katı elektrolitin sıvı faz sentezi için ACN çözücünün ideal olduğu gösterilmiştir¹.

Kaynaklar    

1. Gamo, H., Nagai, A., & Matsuda, A. (2021). The effect of solvent on reactivity of the Li2S–P2S5 system in liquid-phase synthesis of Li7P3S11 solid electrolyte. Scientific Reports, 11(1), 1–8. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00662-3

2. https://phys.org/news/2021-11-solvent-effect-liquid-phase-synthesis-lithium.html