Thin films of lithium ion conducting garnets and their properties

Abstract

Different lithium ion conducting garnet-type thin films were prepared by pulsed laser deposition. Of these garnet-type thin films Li6BaLa2Ta2O12, cubic Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (additionally stabilized by Al2O3) and cubic Li7La3Zr2O12 stabilized by Ga2O3 were investigated in more detail. Conductivity measurements of these thin films performed in lateral geometry showed total conductivities of 1.7x10 6 Scm 1, 2.9x10 6 Scm 1 and 1.2x10 6 Scm 1, respectively. Electrochemical impedance spectroscopy was performed in axial geometry (orthogonal to the substrate), revealing conductivities of 3.3x10 5 Scm 1 for Li6BaLa2Ta2O12 which is comparable to the bulk conductivity of Li6BaLa2Ta2O12 (4x10 5 Scm 1). The comparatively low lateral conductivity of the garnet-type material could be increased to a maximum of 2.8x10 5 Scm 1 for multilayer structures of two different alternating garnet-type materials (Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12:Al2O3, Li7La3Zr2O12:Ga2O3). These investigations revealed a strong influence of the thin film microstructure on the total conductivity. Additionally the electronic partial conductivity of Li6BaLa2Ta2O12 as bulk and thin film material was determined. The garnet-type thin films were successfully tested as protective coatings and as ion-selective membranes in hybrid battery cells (liquid and solid electrolyte combined in one cell). The ion-selective membranes successfully suppressed the undesired polysulfide shuttle mechanism inside a lithium sulfur battery.

Eine Reihe unterschiedlicher Lithium-ionenleitender Dünnfilme aus Oxiden vom Granat-Typ wurde mittels gepulster Laserdeposition abgeschieden. Hervorzuheben sind die Präparation von Li6BaLa2Ta2O12, kubischem Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12, welches zusätzlich durch Al2O3 stabilisiert wurde, und kubischem Li7La3Zr2O12, stabilisiert durch Ga2O3. Leitfähigkeitsmessungen in lateraler Geometrie ergaben für diese Materialien jeweils Gesamtleitfähigkeiten von 1.7x10 6 Scm 1, 2.9x10 6 Scm 1 und 1.2x10 6 Scm 1. Darüber hinaus wurde die Leitfähigkeit an einem Li6BaLa2Ta2O12-Dünnfilm in axialer Geometrie (senkrecht zum Substrat) mit einem Wert von 3.3x10 5 Scm 1 bestimmt. Dieser Wert ist vergleichbar mit der Leitfähigkeit des Volumenmaterials von Li6BaLa2Ta2O12 (4x10 5 Scm 1). Die vergleichsweise geringe laterale Leitfähigkeit der Granat-Typ-Dünnfilme konnte auf maximal 2.8x10 5 Scm 1 für Multilagen-Dünnfilme bestehend aus zwei alternierenden Granat-Typ Phasen (Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12:Al2O3, Li7La3Zr2O12:Ga2O3) erhöht werden. Weiterführende Experimente zeigten, dass die Mikrostruktur des Dünnfilms einen starken Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit hat. Zusätzlich wurde die elektronische Teilleitfähigkeit einer Volumenprobe und eines Dünnfilms, bestehend aus Li6BaLa2Ta2O12, bestimmt. Dünnfilme aus Lithium-Granaten wurden erfolgreich als Schutzschicht und als ionenselektive Membran in Hybrid-Zellen (Kombination aus Flüssig- und Festelektrolyt in einer Zelle) getestet. Die ionenselektiven Membranen waren in der Lage, den unerwünschten Polysulfid-Shuttle-Mechanismus innerhalb einer Lithium-Schwefel-Zelle zu unterdrücken.