Conductivity Optimization of Tysonite-type La_1–xBa_xF_3–x Solid Electrolytes for Advanced Fluoride Ion Battery

Abstract

Use of lithium ion batteries is currently the method of choice when it comes to local stationary storage of electrical energy. In the search for an alternative system, fluoride ion batteries (FIBs) emerge as a candidate due to their high theoretical capacity, and no lithium is needed for its operation. To improve the cycling performance and lower the working temperature of a solid-state battery, one of the critical components is the electrolyte, which needs advanced performance. This paper aims at developing an electrolyte with enhanced ionic conductivity for fluoride ions, to be used in a FIB. Tysonite LaBaF (0 ≤ x ≤ 0.15) solid solutions were synthesized by a facile wet chemical method, and its ionic conductivity was analyzed using electrochemical impedance spectroscopy. A composition study shows that the conductivity reaches a maximum of 1.26 × 10 S·cm at 60 °C for the LaBaF pellet sintered at 800 °C for 20 h, which is 1 order of magnitude higher than that for the as-prepared pellet and 2 times higher than the conductivity of sintered ball-milled batches. The reason for this dramatic increment is the more efficient decrement of grain boundary resistance upon sintering. Morphological, chemical, and structural characterizations of solid electrolytes were studied by X-ray diffraction, scanning electron microscopy , energy dispersive X-ray spectroscopy, physisorption by the Brunauer-Emmett-Teller method, and transmission electron microscopy. Electrochemical testing was carried out for the FIB cell using LaBaF as electrolyte due to its highest conductivity among the compositions, Ce as anode, and BiF as a cathode. The cycling performance was found to be considerably improved when compared to our earlier work, which used the ball-milled electrolyte.

Halide‐Based Materials and Chemistry for Rechargeable Batteries

“…Copyright 2011, Royal Society of Chemistry, and Ref. with permission. Copyright 2017, American Chemical Society.…”

“…Most studies on FIB electrodes focus on the construction of feasible electrode systems and their reaction mechanisms. Up until now, the typically reported electrode systems of FIBs with a reversible capacity above 50 mAh g −1 after 10 cycles are the BiF 3 /Ce and CuF 2 /La couples . The BiF 3 and CuF 2 electrodes were prepared by ball milling active material, carbon, and electrolyte or simply mixing these components.…”

Halogenid‐basierte Materialien und Chemie für wiederaufladbare Batterien

“…Bhatia et al. verwendeten eine einfache nasschemische Methode und darauffolgendes Sintern bei 800 °C für 20 h, um einen La 0.95 Ba 0.05 F 2.95 ‐Elektrolyten zu synthetisieren, der eine hohe Ionenleitfähigkeit von 1.26×10 −4 S cm −1 bei 60 °C vorwies. Als dieser Elektrolyt durch eine modifizierte Swagelok‐Zelle mit einem Heizband (Abbildung b) von 150 °C in das BiF 3 /Ce‐Batteriesystem eingesetzt wurde, wurden die elektrochemischen Eigenschaften wie Entladungskapazität, Kapazitätsretention sowie Lade‐ und Entladehysterese erheblich verbessert im Vergleich zu Ergebnissen früherer Arbeiten (Abbildung c,d) .…”

“…Die meisten Studien bezüglich FIB‐Elektroden konzentrieren sich auf die Konstruktion von umsetzbaren Elektrodensystem und ihre Reaktionsmechanismen. Bis jetzt waren die üblicherweise berichteten FIB‐Elektrodensysteme mit einer reversiblen Kapazität von über 50 mAh g −1 nach 10 Zyklen die BiF 3 /Ce‐ und CuF 2 /La‐Paare . Die BiF 3 ‐ und CuF 2 ‐Elektroden wurden durch Kugelmahlen von Aktivmaterial, Kohlenstoff und Elektrolyt oder simple Vermischung dieser Komponenten präpariert.…”

“…Bhatia et al verwendeten eine einfache nasschemische Methode und darauffolgendes Sintern bei 800 8 8Cfür20h,um einen La 0.95 Ba 0.05 F 2.95 -Elektrolyten zu synthetisieren, [298] der eine hohe Ionenleitfähigkeit von 1. 26 [47] Diese Vorgehensweise erzielte eine verbesserte Ionenleitfähigkeit von 1.6 10 À4 Scm À1 bei 170 8 8C.…”