Tese
Produção e caracterização de cerâmicas de Li0,5La0,5TiO3 e Na2Ti3O7 visando sua aplicação em bateria de estado sólido
Registro en:
SILVA, José Henrique Lopes da. Produção e caracterização de cerâmicas de Li0,5La0,5TiO3 e Na2Ti3O7 visando sua aplicação em bateria de estado sólido. 2022. 111 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2022.
Autor
Silva, José Henrique Lopes da
Institución
Resumen
The rapid development of the electronics industry and the growing market for electric vehicles
require the development of energy storage devices that are increasingly safe, efficient,
lightweight, sustainable and cost-effective. In this sense, much emphasis has been given to the
so-called solid-state batteries, which promise to revolutionize the concept of batteries by
replacing the liquid electrolyte with a solid electrolyte. The ionic conductors Li0,5La0,5TiO3 and
Na2Ti3O7 have great potential to replace the electrolytes that make up lithium batteries today
and to compose the next generation of batteries. Therefore, this thesis aimed at the synthesis,
sintering and electrical characterization of Li0,5La0,5TiO3 and Na2Ti3O7 ceramics in order to
analyze the ionic conduction in these materials. The ceramic powders were produced by the
polymeric precursor method and sintered by the conventional method in an electric oven and
laser. Li0,5La0,5TiO3 and Na2Ti3O7 powders showed a single crystalline phase after being
sintered at 1150 °C/2 h and 900 °C/2 h, respectively. The laser-sintered ceramics had a relative
density of 98% for Li0.5La0.5TiO3 and 88% for Na2Ti3O7, with a single crystalline phase and
processing time of less than 10 min. For Li0.5La0.5TiO3, ionic conductivity in the grain region
of 0.5 mS.cm-1 at room temperature was obtained by both sintering methods. On the other
hand, the grain boundary suffered a conductivity reduction of two orders of magnitude, in
addition to a variation by a factor of five with the sintering method, which was attributed to
changes in the microstructural characteristics (average grain size and thickness). The lasersintered Na2Ti3O7 ceramic showed a reduction of about 50% in the average grain size and an
ionic conductivity of the grain at room temperature 58% (0.27 x 10-4 S.cm-1
) higher than the
conventionally sintered ceramic. Finally, the electrical response of the Na2Ti3O7 ceramic
revealed 4 orders of magnitude jump in resistivity with increasing temperature identified as the
PTCR effect (positive resistivity coefficient), reported for the first time. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O rápido desenvolvimento da indústria eletrônica e o crescente mercado de veículos elétricos
exigem o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia cada vez mais
seguros, eficientes, leves, sustentáveis e de baixo custo. Neste sentido, muita ênfase tem sido
dada às chamadas baterias de estado sólido, que prometem revolucionar o conceito de baterias
pela substituição do eletrólito líquido por eletrólito sólido. Os condutores iônicos Li0,5La0,5TiO3
e Na2Ti3O7 têm grande potencial para substituir os eletrólitos que compõem as baterias de lítio
atualmente e comporem a próxima geração de baterias. Portanto, nesta tese objetivou-se a
síntese, sinterização e a caracterização elétrica de cerâmicas de Li0,5La0,5TiO3 e Na2Ti3O7 com
o intuito de analisar a condução iônica nesses materiais. Os pós cerâmicos foram produzidos
pelo método dos precursores poliméricos e sinterizados pelo método convencional em forno
elétrico e a laser. Os pós de Li0,5La0,5TiO3 e Na2Ti3O7 apresentaram fase cristalina única após
sinterizados a 1150 °C/2 h e 900 °C/2 h, respectivamente. As cerâmicas sinterizadas a laser
apresentaram densidade relativa de 98% para o Li0,5La0,5TiO3 e 88% para o Na2Ti3O7, com fase
cristalina única e com tempo de processamento inferior a 10 min. Para o Li0,5La0,5TiO3 foi
obtida condutividade iônica na região de grão de 0,5 mS.cm-1
à temperatura ambiente, por
ambos os métodos de sinterização. Por outro lado, o contorno de grão sofreu uma redução da
condutividade de duas ordens de grandeza, além de uma variação por um fator de cinco com o
método de sinterização, que foi atribuída às mudanças nas características microestruturais
(tamanho médio de grão e espessura). A cerâmica de Na2Ti3O7 sinterizada a laser apresentou
uma redução de cerca de 50% no tamanho médio de grão e uma condutividade iônica do grão
à temperatura ambiente 58% (0,27 x 10-4 S.cm-1
) superior à cerâmica sinterizada
convencionalmente. Finalmente, a resposta elétrica da cerâmica Na2Ti3O7 revelou um salto de
4 ordens de grandeza na resistividade com o aumento da temperatura identificado como efeito
PTCR (coeficiente de resistividade positivo), relatado pela primeira vez. São Cristóvão