Ionic conductivity of Li0.5La0.5Ti1-xAlxO3 electrolytelayer for thin film batteries

Abstract

In this study, crystalline lithium lanthanum titanium (aluminum) oxide Li0.5La0.5Ti1-xAlxO3 (LLTO) powder targets with different Aluminum (x) content were prepared by conventional solid state reactions as Li0.5La0.5TiO3, Li0.5La0.5Ti0.99Al0.01O3, Li0.5La0.5Ti0.95Al0.05O3, Li0.5La0.5Ti0.90Al0.10O3 and Li0.5La0.5Ti0.85Al0.15O3 compositions. Then, after a couple of calcination processes with regrinding of the prepared stoichiometric powder batch, it is placed into Cu-base plate to be pressed in order to provide a compact, dense and smooth target surface for the thin film deposition. For the thin film fabrication, radio frequency (RF) magnetron sputtering technique is used to sputter the dielectric target. Thin films were deposited on soda-lime glass (SLG) and 256 nm thick indium tin oxide (ITO) layer grown on soda-lime glass (SLG) substrates. For the electrical measurements of LLTO thin film, it was fundamental to have ITO as conducting layer electrode. Targets with various Al (x) compositions were deposited for the investigation of Ti substitution with Al on structural and electrical properties. Besides, crystalline structure of the targets was characterized by X-ray powder diffraction (XRPD) and Raman Spectroscopy analysis while structural, morphological and compositional properties of the thin films were determined by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) respectively. Moreover, in order to understand the effect of Al doping on ionic conductivity, electrical measurements were performed at room temperature by AC impedance spectroscopy forming ITO/LLTO/Al capacitor like structure. Maximum ionic conductivity result is obtained for Li0.5La0.5Ti0.95Al0.05O3 thin film composition. Also, temperature dependent ionic conductivity measurements were performed from 298 K to 373 K to evaluate activation energy for the Li-ion conduction. Keywords: Ionic conductivity, Li0.5La0.5Ti1-xAlxO3, electrolyte, thin film, activation energy, RF magnetron sputtering

Bu çalışmada, kristal yapıdaki lityum lantanum titanyum (alüminyum) oksit Li0.5La0.5Ti1-xAlxO3 (LLTO) bileşimi çeşitli Alüminyum (x) kompozisyonlarında Li0.5La0.5TiO3, Li0.5La0.5Ti0.99Al0.01O3, Li0.5La0.5Ti0.95Al0.05O3 ve Li0.5La0.5Ti0.90Al0.10O3, Li0.5La0.5Ti0.85Al0.15O3 kompozisyonları olmak üzere katı hal reaksiyonları sonucu hazırlanmıştır. Hazırlanan stokiyometrik karışımlar, maruz bırakıldığı birkaç kalsinasyon işleminin ardından yoğun ve düzgün bir yüzeye sahip bir hedef yüzeyi elde etmek için bakır-altlığa yerleştirilmiş ve preslenerek ince film üretimi için hazır hale getirilmiştir. İnce film üretimi içinse radyo frekansı mıknatıssal saçtırma tekniği ile dielektrik hedef malzemesi SLG ve 256 nm kalınlıktaki indiyum kalay oksit (ITO) kaplı camlar üzerine saçtırılmıştır. LLTO ince filmlerinin elektriksel ölçümleri için ITO elektrodu kullanılmıştır. Farklı Al (x) kompozisyonuna sahip filmler alüminyumun (Al) titanyum ile yer değiştirmesinin araştırması yapılarak, yapısal ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. Bunların yanısıra, hedeflerin kristal yapısı, x-ışını kırınımı ve Raman spektroskopisi ile karakterize edilirken, ince filmlerin yapısal, morfolojik ve kompozisyona dair özellikleri sırasıyla x-ışını kırınımı, taramalı uç elektron mikroskopu ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi ile belirlenmiştir. Buna ek olarak Al katkılamasının iyonik iletkenliğe etkisini anlamak için, ITO/LLTO/Al kapasitör yapısı oluşturularak oda sıcaklığında AC empedans spektroskopisi ile elektriksel ölçümler yapılmıştır. En yüksek iyonik iletkenlik değeri Li0.5La0.5Ti0.95Al0.05O3 ince film kompozisyonuna aittir. Aynı zamanda, sıcaklığa bağlı iyonik iletkenlik ölçümleri 298 K’den 372 K’ e kadar olan sıcaklık aralığında her 10 derecede bir farklı sıcaklık değerleri için kaydedilmiş ve Li iyonunun iletimi için gereken aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır.