Lithium-sulfur batteries (LSBs) have emerged as a promising alternative to lithium-ion batteries (LIBs) owing to their high energy density and economic viability. In addition, all-solid-state LSBs, which use solid-state electrolytes, have been proposed to overcome the polysulfide shuttle effect while improving safety. However, the high interfacial resistance and poor ionic conductivity exhibited by the electrode and solid-state electrolytes, respectively, are significant challenges in the development of these LSBs. Herein, we apply a poly (ethylene oxide) (PEO)-based composite solid-state electrolyte with oxide Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid-state electrolyte in an all-solid-state LSB to overcome these challenges. We use an electrochemical method to evaluate the degradation of the all-solid-state LSB in accordance with the carbon content and loading weight within the cathode. The all-solid-state LSB, with sulfur-carbon content in a ratio of 3:3, exhibited a high initial discharge capacity (1386 mAh g-1), poor C-rate performance, and capacity retention of less than 50%. The all-solid-state LSB with a high loading weight exhibited a poor overall electrochemical performance. The factors influencing the electrochemical performance degradation were revealed through systematic analysis.
A low temperature anode-supported tubular solid oxide fuel cell was developed. The anode-supported tube was fabricated using extrusion process. Then the electrolyte layer and the cathode layer were coated onto the anode tube by slurry dipping process, subsequently. The anode tube and electrolyte were co-fired at $140^{\circ}C$, and the cathode was sintered at $1200^{\circ}C$. The thickness and gas permeability of the electrolyte depended on the number of coating and the slurry concentration. Anode-supported tube was satisfied with SOFC requirements, related to electrical conductivity, pore structure, and gas diffusion limitations. At operating temperature of $800^{\circ}C$, open circuit voltage of the cell with gastight and dense electrolyte layer was 1.1 V and the cell showed a good performance of 450 mW/$\textrm{cm}^2$.
In this study, a $Li_2ZrO_3$ coated $Li[Ni_{0.8}Co_{0.15}Al_{0.05}]O_2$ (NCA) cathode was applied to an all-solid-state cell employing a sulfide-based solid electrolyte. Sulfide-based solid electrolytes are preferable for all-solid-state cells because of their high ionic conductivity and good softness and elasticity. However, sulfides are very reactive with oxide cathodes, and this reduces the stability of the cathode/electrolyte interface of all-solid-state cells. $Li_2ZrO_3$ is expected to be a suitable coating material for the cathode because it can suppress the undesirable reactions at the cathode/sulfide electrolyte interface because of its good stability and high ionic conductivity. Cells employing $Li_2ZrO_3$ coated NCA showed superior capacity to those employing pristine NCA. Analysis by X-ray photoelectron spectroscopy and electron energy loss spectroscopy confirmed that the $Li_2ZrO_3$ coating layer suppresses the propagation of S and P into the cathode and the reaction between the cathode and the sulfide solid electrolyte. These results show that $Li_2ZrO_3$ coating is promising for reducing undesirable side reactions at the cathode/electrolyte interface of all-solid-state-cells.
Grain-boundary conduction in the fluorite-structure solid oxide electrolytes such as acceptor-doped zirconia and ceria were reviewed. The siliceous impurity, even several hundreds ppm, affects the ionic conduction across grain boundary to a great extent. Various approaches to improve grain-boundary conduction in fluorite-structure oxide electrolytes have been investigated, which include (1) the scavenging of siliceous phase by the reaction with second phase, (2) the gathering of intergranular siliceous phase into a discrete configuration and (3) the dewetting of intergranular liquid phase by post-sintering heat treatment.
The goal of this study is to investigate some crack behaviors which affect the crack propagation angle at the planar solid oxide fuel cell with cracks under the fabricating and operating temperature and analyze the stresses by 3 steps processing on the solid oxide fuel cell. Currently, there are lots of researches of the performance improvement for fuel cells, and also for the more powerful efficiency. However, the planar solid oxide fuel cell has demerits which the electrode materials have much brittle properties and the thermal condition during the operating process. It brings some problems which have lower reliability owing to the deformation and cracks from the thermal expansion differences between the electrolyte, cathode and anode electrodes. Especially the crack in the corner of the electrodes gives rise to the fracture and deterioration of the fuel cells. Thus it is important to evaluate the behavior of the cracks in the solid oxide fuel cell for the performance and safety operation. From the results, we showed the stress distributions from the cathode to the anode and the effects of the edge crack in the electrolyte and the slant crack in the anode. Futhermore the crack propagation angle was expected according to the crack length and slant angle and the variation of the stress intensity factors for the each fracture mode was shown.
For the commercialization of all-solid-state batteries, it is essential to develop a solid electrolyte that can be operable at room temperature, and it is necessary to manufacture all-solid-state batteries by adopting materials with high ionic conductivity. Therefore, in order to increase the ionic conductivity of the existing oxide-based solid, Li7La3Zr2O12 (LLZO) doped with heterogeneous elements was used as a filler material (Al and Nb-LLZO). An electrolyte with garnet-type inorganic filler doped was prepared. The binary metal element and the polymer mixture of poly(ethylene oxide)/poly(propylene carbonate) (PEO/PPC) (1:1) are uniformly manufactured at a ratio of 1:2.4, The electrochemical performance was tested at room temperature and 60 ℃ to verify room temperature operability of the all-solid-state battery. The prepared composite electrolyte shows improved ionic conductivity derived from co-doping of the binary elements, and the PPC helps to improve the ionic conductivity, thereby increasing the capacity of all-solid-state batteries at room temperature as well as 60 ℃. It was confirmed that the capacity retention rate was improved.
$Gd_2O_3$-doped $CeO_2$ (GDC) and $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_3$ (LSCF) composite cathode materials were prepared in order to be applied to intermediate-temperature solid oxide fuel cells. The electrochemical polarization was evaluated using ac impedance spectroscopy involving geometric restriction at the interface between an ionic electrolyte and a mixed-conducting cathode. In order to optimize the cathode composites applicable to a GDC electrolyte, the cathode composites were evaluated in terms of polarization losses with regard to a given electrolyte, i.e., GDC electrolyte. The polarization increased significantly with decreasing temperature and was critically dependent on the compositions of the composite cathodes. The optimized cathode composite was found to consist of GDC 50 wt% and LSCF 50 wt%; the corresponding normalized polarization loss was calculated to be 0.64 at $650^{\circ}C$.
Solid polymer electrolytes were prepared by UV irradiation of the blends consisting of poly(ethylene oxide)(PEO), epoxy diacrylate(EDA) and LiClO_4$. Conductivities of the electrolyte films were measured as a function or blend composition, salt concentration and temperature. The electrolyte having the composition of poly(ethylene oxide) (70% by weight)/epoxy diacrylate (30% by weight) with mole ratio of 10 of ethylene $oxide/Li^+$ exhibited a high ionic conductivity of $1.2{\times}10^{-5} S/cm$ at $25^{\circ}C$. This blend is transparent and shows elastomeric properties. Morphological studies by means of differential scanning calorimetry, X-ray diffraction and polarized optical microscopy indicated that the cured epoxy chains in the blends inhibit the crystallization of poly (ethylene oxide) and thereby induce the blend systems to be completely amorphous in certain compositions.
The electrolyte in the solid oxide fuel cell must be dense enough to avoid gas leakage and thin enough to reduce the ohmic resistance. In order to manufacture the thin and dense electrolyte layer, 8 mol% $Y_2O_3$ stabilized-$ZrO_2$ (8YSZ) electrolyte layers were coated on the porous tubular substrate by the novel vacuum slurry dip-coating process. The effects of the slurry concentration, presintering temperature, and vacuum pressure on the thickness and the gas permeability of the coated electrolyte layers have been examined in the vacuum slurry coating process. The vacuum-coated electrolyte layers showed very low gas permeabilities and had thin thicknesses. The single cell with the vacuum-coated electrolyte layer indicated a good performance of $495\;mW/cm^2$, 0.7 V at $700^{\circ}C$. The experimental results show that the vacuum dip-coating process is an effective method to fabricate dense thin film on the porous tubular substrate.
Lithium lanthanum titanium oxide (LLTO) is a promising ceramic electrolyte because of its high ionic conductivity at room temperature, low electrical conductivity, and outstanding physical properties. Several routes for the synthesis of bulk LLTO are known, in particular, solid-state synthesis and sol-gel method. However, the extremely low ionic conductivity of LLTO at grain boundaries is one of the major problems for practical applications. To diminish the grain boundary effect, the structure of LLTO is tuned to nanoscale morphology with structures of different dimensionalities (0D spheres, and 1D tubes and wires); this strategy has great potential to enhance the ion conduction by intensifying Li diffusion and minimizing the grain boundary resistance. Therefore, in this work, 0D spherical LLTO is synthesized using ultrasonic spray pyrolysis (USP). The USP method primarily yields spherical particles from the droplets generated by ultrasonic waves passed through several heating zones. LLTO is synthesized using USP, and the effects of each precursor and their mechanisms as well as synthesis parameters are analyzed and discussed to optimize the synthesis. The phase structure of the obtained materials is analyzed using X-ray diffraction, and their morphology and particle size are analyzed using field-emission scanning electron microscopy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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