POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES
A composite solid electrolyte based on the fluoropolymer Neoflon VT-475, the ionic liquid PYR14-TFSI, and the lithium salt LiTFSI has been developed and studied for use in solid-state lithium-ion batteries. As a lithium-conductive additive, nanoparticles of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) with a NASICO...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2025
|
| Online Zugang: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/743 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871466160303636480 |
|---|---|
| author | Yefimishch, Iryna Bubela, Galina Syvolozhsky, Oleksii Stryzhakova, Natalia Maletin, Yurii Lisovskyi, Ivan |
| author_facet | Yefimishch, Iryna Bubela, Galina Syvolozhsky, Oleksii Stryzhakova, Natalia Maletin, Yurii Lisovskyi, Ivan |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Iryna Yefimishch",
"institution": "Інститут сорбції і проблем ендоекології НАН України"
},
{
"author": "Galina Bubela",
"institution": "Інститут сорбції і проблем ендоекології НАН України"
},
{
"author": "Oleksii Syvolozhsky",
"institution": "Інститут сорбції і проблем ендоекології НАН України"
},
{
"author": "Natalia Stryzhakova",
"institution": "Інститут сорбції і проблем ендоекології НАН України"
},
{
"author": "Yurii Maletin",
"institution": "Інститут сорбції і проблем ендоекології НАН України"
},
{
"author": "Ivan Lisovskyi",
"institution": "Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian National Academy of Sciences"
}
] |
| author_sort | Yefimishch, Iryna |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:56Z |
| description | A composite solid electrolyte based on the fluoropolymer Neoflon VT-475, the ionic liquid PYR14-TFSI, and the lithium salt LiTFSI has been developed and studied for use in solid-state lithium-ion batteries. As a lithium-conductive additive, nanoparticles of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) with a NASICON-type structure were introduced into the electrolyte composition, providing three-dimensional channels for efficient lithium-ion migration. LATP was synthesized using a sol-gel method, which enabled the production of particles with high ionic conductivity and a stable crystalline structure. The methodology for fabricating the electrolyte in the form of a film is described, along with its characteristics, including electrochemical properties, which were investigated in laboratory battery prototypes with a LiFePO4 (LFP) cathode and a Li4Ti5O12 (LTO) anode modified with LATP. To improve interfacial contact between the solid electrolyte and the electrodes, a liquid-phase treatment was applied. The electrode surfaces were additionally impregnated with a polymer solution to enhance adhesion and interfacial contact. This approach reduced interfacial resistance, improved ion transport, and ensured stable performance during long-term cycling. The study showed that the developed prototypes with the composite solid electrolyte demonstrated specific capacities comparable to those of samples with liquid electrolytes under current loads up to 4C. Long-term cycling statistics indicated a high level of stability, with capacity degradation not exceeding 6% after 130 full charge-discharge cycles. The developed electrolyte is promising for use in solid-state lithium-ion batteries with improved performance, safety, and durability, as its structure and composition help reduce dendrite formation risk, enhance interfacial layer stability, and maintain high ionic conductivity even under high loads.
  |
| doi_str_mv | 10.33609/2708-129X.91.8.2025.13-22 |
| first_indexed | 2025-12-02T15:13:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
13
УДК 544.6.018.42-16 doi: 10.33609/2708-129X.91.8.2025.13-22
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON
ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВ
І. Л. Єфіміщ1 , Г. С. Бубела1 , О. А. Сиволожський1 , Н. Г. Стрижакова1 ,
Ю. А. Малєтін1 , І. В. Лісовський2
1 Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України,
вул. Олега Мудрака, 13, м. Київ 03164, Україна;
2 Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України,
просп. Академіка Палладіна, 32/34, Київ 03142, Україна
e-mail: irinaefimich@gmail.com
Розроблено та досліджено композитний твердий електроліт на основі фторполімеру
Neoflon VT-475, іонної рідини PYR14-TFSI та солі LiTFSI, який призначено для викори-
стання в твердотільних літій-іонних акумуляторах. Як літій-провідну добавку в склад
електроліту вводили наночастинки Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) зі структурою NASICON,
яка забезпечує тривимірні канали для ефективної міграції іонів літію. LATP було син-
тезовано золь-гель-методом, що дозволило отримати частинки з високою іонною про-
відністю та стабільною кристалічною структурою. Описано методику виготовлення
електроліту, який одержували у вигляді плівки, та його характеристики, у тому числі
електрохімічні властивості, які досліджували в лабораторних прототипах акумулято-
рів із катодом на основі LiFePO4 (LFP) та анодом Li4Ti5O12 (LTO), модифікованим LATP.
Для покращення міжфазного контакту між твердим електролітом і електродами засто-
совано рідкофазну терапію. Для цього поверхню електродів додатково просочували
полімерним розчином для покращення адгезії та міжфазного контакту. Це дозволи-
ло зменшити міжфазний опір, покращити іонний транспорт та забезпечити стабільну
роботу за тривалого циклування. Дослідження показали, що розроблені прототипи з
композитним твердим електролітом демонструють питому ємність, близьку до ємно-
сті зразків із рідким електролітом за струмових навантажень до 4C. Статистика трива-
лого циклування вказує на високий рівень стабільності, оскільки зменшення питомої
ємності не перевищувало 6% після 130 повних циклів заряд – розряд. Розроблений
електроліт є перспективним для використання в твердотільних літій-іонних акуму-
ляторах із поліпшеними характеристиками ефективності, безпеки та довговічності,
оскільки його структура та склад сприяють зменшенню ризику утворення дендритів,
покращенню стабільності міжфазного шару та забезпечують високу іонну провідність
навіть за високих навантажень.
Ключові слова: твердотільні літій-іонні акумулятори, полімерний електроліт, LATP.
14 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2025
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВФІЗИЧНА ХІМІЯ
ВСТУП. Сучасні літій-іонні акумуля-
тори (ЛІА) є основою багатьох техноло-
гій енергозабезпечення, зокрема в елек-
тротранспорті, портативній електроніці та
системах зберігання енергії. Зазвичай ЛІА
містять два пористих електроди (анод і ка-
тод), розділені сепаратором, із рідким елек-
тролітом на основі апротонних органічних
розчинників із літій-провідною сіллю [1].
Незважаючи на значні технічні досягнен-
ня у цій галузі, наявність рідкого електро-
літу зумовлює низку критичних проблем,
оскільки органічні розчинники, які вхо-
дять до складу електроліту, є легкозаймис-
тими, токсичними та нестабільними за ви-
соких температур. Зокрема, взаємодія рід-
кого електроліту з активними матеріалами
електродів призводить до формування так
званої плівки SEI (solid-electrolyte interface),
що спричиняє деградацію системи та втра-
ту ємності в процесі циклування, бо супро-
воджується споживанням електроліту та
активного літію, що спричиняє незворотні
втрати ємності та зростання внутрішньо-
го опору, особливо на початкових цик
лах [2, 3]. Крім того, присутність рідкого
електроліту ускладнює виробничий процес
через необхідність ретельного заповнення
та герметизації комірок у сухій інертній ат-
мосфері [4].
Альтернативою цій технології є твердо-
тільні акумулятори (ТТА), в яких рідкий
електроліт замінено на твердий іонний
провідник [5]. Така конструкція забезпечує
вищу безпеку, підвищену термічну стабіль-
ність, а також твердий електроліт вико-
нує роль фізичного бар’єру для дендритів,
знижуючи ризик короткого замикання [3].
Більш того, архітектура ТТА сприяє реа-
лізації біполярного укладання одиничних
елементів у батарею, що спрощує її дизайн
та зменшує масу і об’єм [6].
Тверді електроліти, які використовують
у таких системах, поділяють на три основ-
ні типи: неорганічні, полімерні та компо
зитні [7]. Неорганічні тверді електроліти
зазвичай мають кристалічну або склопо-
дібну структуру, завдяки якій забезпечу-
ють високу іонну провідність навіть за
кімнатної температури (до 10-2 См/см) [8].
Вони характеризуються високою меха-
нічною міцністю, стабільністю за високих
температур та агресивних хімічних умов.
Серед відомих на сьогодні неорганічних
літій-іонних провідників увагу приверта-
ють матеріали зі структурами NASICON,
перовськіту та гранату. Найвищою іон-
ною провідністю в рамках кожного з на-
ведених класів володіють хімічні сполуки
Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (LATP), LixLa2/3-x/3TiO3
(LLTO) та Li7La3Zr2O12 (LLZO) відповідно
[9, 10]. Очевидною перевагою літій-про-
відних матеріалів зі структурою NASICON
є відсутність у їхньому складі рідкіснозе-
мельних елементів, що зменшує їхню собі-
вартість порівняно з гранатами та перов-
ськітами. Водночас крихкість неорганічних
електролітів, а також високий опір на межі
контакту з електродами обмежує їхнє вико-
ристання в реальних пристроях.
Полімерні тверді електроліти, на відмі-
ну від неорганічних, демонструють добру
еластичність, гнучкість і здатність форму-
вати стабільний інтерфейс з електродами.
Вони містять солі літію, що забезпечує іон-
ну провідність у полімерній матриці [11].
Найчастіше використовують поліетиле-
ноксид, фторовані полімери, полікарбона-
ти, поліестери, полінітрили та біополімери.
Головним недоліком полімерних електро-
15https://ucj.org.ua
І. Л. Єфіміщ, Г. С. Бубела, О. А. Сиволожський, Н. Г. Стрижакова, Ю. А. Малєтін, І. В. Лісовський УХЖ № 8 / ТОМ 91
літів є їхня низька іонна провідність за
кімнатної температури, яка потребує під-
вищення температури для досягнення при-
йнятного рівня роботи.
Для поєднання переваг обох класів ма-
теріалів – високої провідності неорганіч-
них твердих електролітів та гнучкості по-
лімерних – було розроблено композитні
полімерні електроліти, в яких неорганічні
частинки вводять у полімерну матрицю для
покращення іонної провідності, механіч-
ної стабільності та електрохімічної суміс
ності [12]. Такий підхід дозволяє зменшити
кристалічність полімеру, збільшити кіль-
кість шляхів для переносу іонів і водно-
час зберегти гнучкість та оброблюваність.
Наповнювачі можуть бути інертними, та-
кими як оксиди алюмінію чи кремнію, або
активними – такими як LLZO, LLTO чи
LATP [13]. Останні не лише підсилюють ме-
ханічні властивості, а й самі беруть участь у
процесі іонної провідності.
У цій статті розглядаємо спосіб одер-
жання композитного полімерного електро-
літу, що містить Li-провідні компоненти,
а також шляхи покращення його контакту
з електродними шарами. Метою роботи
було розроблення і дослідження ефектив-
ного композитного твердого електроліту
на основі фторполімеру Neoflon VT-475,
іонної рідини PYR14-TFSI та солі LiTFSI із
додаванням Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 як провідної
добавки. Запропонована комбінація дозво-
ляє забезпечити стабільність і високу про-
відність і є важливим кроком до створення
ефективних, безпечних та масштабованих
твердотільних акумуляторів нового по-
коління. Згідно з літературними даними,
електроліти на основі полівініліденфтори-
ду (PVDF) і LATP демонструють хорошу
електрохімічну стабільність та придатність
до довготривалого циклування. Напри-
клад, у роботі [14] показано, що компо-
зит PVDF із 90% LATP забезпечив ємність
107 мА·год/г при збереженні 91.4% після
200 циклів у LMO-системі. В іншому дослі-
дженні [15] плівка PVDF-HFP/LATP (10%)
демонструвала вікно стабільності до 4,94 В,
стабільну роботу з літієвим анодом протя-
гом >300 годин, а в комірці з NCM622 дося-
гала 152 мА·год/г після 50 циклів при 100%
кулонівській ефективності.
ЕКСПЕРИМЕНТ І ОБГОВОРЕННЯ РЕ-
ЗУЛЬТАТІВ. Композитна полімерна плів-
ка на основі фторполімеру Neoflon VT-475
(Daikin Chemical) включала біс(трифторме-
тилсульфоніл)імід літію (LiTFSI) (Solvionic,
Франція), іонну рідину 1-бутил-1-метилпі-
ролідинію (PYR14) з аніоном TFSI (Proionic,
Франція) та LATP зі структурою NASICON
LATP одержували золь-гель-методом [16].
Результати РФА свідчать, що синтезова-
ні зразки характеризуються ромбоедрич-
ною структурою, при цьому кристалічні
наночастинки є слабкоагломерованими,
а їхній середній розмір становить 35 нм.
Вибір фторполімеру Neoflon VT-475 був
зумовлений його характеристиками при
виготовленні електродів для літій-іонних
акумуляторів, а саме: хімічна стійкість,
покращена гнучкість, крім того, його ви-
користання підвищує стабільність суспен-
зії. Іонну рідину PYR14-TFSI додавали як
«розчинник» для солі LiTFSI у складі полі-
мерної композиції. Розчин містив VT-475,
LiTFSI і PYR14-TFSI зі співвідношенням
компонентів по масі 4:3:3 в ацетонітрилі.
Після повного розчинення компонентів
додавали суспензію LATP в ацетонітрилі
із вмістом LATP 10 мас.%. Гомогенізацію
16 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2025
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВФІЗИЧНА ХІМІЯ
здійснювали за допомогою швидкісної мі-
шалки (10 тис. об/хв).
Отриману суспензію наносили на скля-
ну пластину за допомогою аплікатора в
атмосфері аргону. Для видалення ацето-
нітрилу пластину з нанесеною суспензією
вакуумували упродовж однієї години за
кімнатної температури, а потім обережно
знімали утворену плівку (рис. 1). Всі ро-
боти з приготування розчинів і зі збиран-
ня прототипів літій-іонних акумуляторів
із полімерною плівкою проводили в боксі
Vigor Technologies Co (Suzhou, China), за-
повненому сухим аргоном. Вміст вологи і
кисню в боксі не перевищував 2 ppm.
Рис. 1. Фото полімерної плівки, виготовленої
з VT-475, LiTFSI, PYR14-TFSI та LATP
Fig. 1. Photo of polymer film made of VT-475,
LiTFSI, PYR14-TFSI and LATP.
Для електрохімічних досліджень було
виготовлено лабораторні прототипи ЛІА,
які складалися з пари електродів, розділе-
них сепаратором і герметично упакованих
в ламіновану алюмінієву фольгу. Для ви-
готовлення електродів готували суспензію
змішуванням вихідного електродного ма-
теріалу із сажею та активованим вугіллям
у розчині полівініліденфториду в N-ме-
тил-2-піролідоні; масове співвідношен-
ня компонентів 85:4,4:4,8:6. Як катодний
матеріал використовували LiFePO4 (LFP),
як анодний – Li4Ti5O12 (LTO), модифікова-
ний LATP. Суспензію активного матеріалу
наносили на попередньо підготовлений ко-
лектор струму методом «doctor blade». Як
колектор струму використовували моди-
фіковану частинками графіту алюмінієву
фольгу з тонким шаром (до 5 мкм) прайме-
ру – сажа зі зв’язуючим-адгезивом PVDF.
Як твердий електроліт і водночас се-
паратор було використано синтезова-
ну полімерну плівку на основі LiTFSI та
PYR14-TFSI, наповнену літій-провідними
частинками LATP. Для порівняння були
виготовлені також зразки з комерційним
полімерним сепаратором Solupore 3P07A
(компанія Lidal) товщиною 20 мкм.
Варто зазначити, що у твердотільних
ЛІА контакт між полімерним електролітом
і електродами може бути неефективним че-
рез неконформну морфологію. Обмежений
і нерівномірний міжфазний контакт «по-
лімерний електроліт – твердий електрод»
призводить до низького рівня міграції іонів
і можливого у низці випадків утворення
дендритів літію на аноді [17, 18]. Пробле-
ми міжфазної поверхні можуть впливати
на практичну густину енергії та стабіль-
ність роботи ЛІА за тривалого циклування.
Для покращення міжфазного контакту між
твердотільним електролітом та електрода-
ми запропоновано застосовувати «рідкофаз-
ну терапію» [19, 20], що передбачає введення
невеликої кількості рідкого електроліту.
У наших експериментах було проведено
рідкофазову терапію за допомогою розчи-
ну 1 М LiTFSI у пропіленкарбонаті. Вміст
рідкого електроліту в зразках ЛІА з площею
17https://ucj.org.ua
І. Л. Єфіміщ, Г. С. Бубела, О. А. Сиволожський, Н. Г. Стрижакова, Ю. А. Малєтін, І. В. Лісовський УХЖ № 8 / ТОМ 91
електродів 35,7 см2 складав 0,5 мл. Більш
того, для покращення міжфазового контак-
ту між поверхнею електрода і плівкою-се-
паратором поверхню електродів додатково
просочували полімерним розчином Neoflon
VT-475, LiTFSI і PYR14-TFSI в ацетонітрилі
з таким самим співвідношенням компонен-
тів по масі 4:3:3. Для видалення залишків
ацетонітрилу електроди після просочу-
вання витримували у вакуумі за кімнатної
температури упродовж 1 год. Схематичну
конструкцію досліджуваних систем пока-
зано на рис. 2.
Для встановлення надійності одержаних
результатів було досліджено серію з 3-х ко-
мірок з однаковим складом електродного
матеріалу. Заряд/розрядні характеристики
прототипів літій-іонних акумуляторів було
одержано з використанням багатоканаль-
ного вимірювального стенду ARBIN (MITS
Pro Software of MSTAT 32, Arbin Corporation,
США).
Рис. 2. Схематична конструкція лабораторних елементів із катодом LFP й анодом LTO,
модифікованим LATP: а – з твердим електролітом, виготовленим із використанням
Neoflon VT-475, LiTFSI, PYR14-TFSI та LATP; б – із рідким електролітом
і комерційним сепаратором Solupore 3P07A
Fig. 2. Schematic design of laboratory cells with LFP cathode and LTO anode modified with LATP:
a – with a solid electrolyte prepared using Neoflon VT-475, LiTFSI, PYR14-TFSI, and LATP;
b – with a liquid electrolyte and a commercial separator Solupore 3P07A.
а б
На рис. 3 показано результати гальва-
ностатичного циклування за різного стру-
мового навантаження. Із результатів екс-
перименту можна зробити висновок про
те, що зразки із полімерним електролітом
характеризуються значеннями питомої єм-
ності, подібними до значень ємності зраз-
ків із рідким електролітом за невисоких
струмових навантажень: при струмі 4С єм-
ність ТТА становила 120 мА·год/г порівня-
но із 124 мА·год/г для прототипу із рідким
електролітом, однак при струмі 16С зна-
чення ємності ТТА становило лише 50 %
ємності прототипу із рідким електролітом.
При розрахунку на зазначені виробником
160 мА·год/г (LTO) відносна початкова роз-
рядна ємність експериментального зразка
ТТА становила 92 % від теоретичної, що все
ще залишається високим показником.
18 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2025
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВФІЗИЧНА ХІМІЯ
Рис. 3. Зміна питомої ємності лабораторних елементів із рідким і полімерним електролітом
при різному струмовому навантаженні: 1 - рідкий електроліт; 2 - полімерний електроліт
Fig. 3. Change in the specific capacity of laboratory cells with liquid and polymer electrolyte material
at different current loads: 1 – liquid electrolyte; 2 – polymer electrolyte.
Рис. 4. Зміна питомої ємності лабораторних прототипів із плівкою, виготовленою
із використанням LiTFSI, PYR14-TFSI та LATP при тривалому гальваностатичному циклуванні
Fig. 4. Changes in the specific capacitance of laboratory prototypes with film made using
LiTFSI, PYR14-TFSI and LATP during prolonged galvanostatic cycling.
19https://ucj.org.ua
І. Л. Єфіміщ, Г. С. Бубела, О. А. Сиволожський, Н. Г. Стрижакова, Ю. А. Малєтін, І. В. Лісовський УХЖ № 8 / ТОМ 91
Щоб дослідити стабільність роботи
твердотільних прототипів, було проведе-
но гальваностатичне циклування за різних
струмів (0,3–16С). Заключне циклування
проводили при 0,9С і при проходженні за-
гальних 130 циклів заряд/розряд, як видно
із одержаних даних (рис. 4), значення пито-
мої ємності знижується на 6 %, а значення
опору підвищується на 6 %, що свідчить
про стабільність роботи комірок із полі-
мерною плівкою з включенням LATP.
ВИСНОВКИ. Розроблено методику одер-
жання композитного твердого електроліту
на основі фторполімеру Neoflon VT-475 і
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, який водночас викону-
вав функцію і сепаратора, у лабораторних
прототипах твердотільних акумуляторах
з LFP/LTO електродами. Для покращення
міжфазного контакту між електродами і
твердим електролітом реалізовано метод
рідкофазної терапії, що передбачав змочу-
вання електродів полімерним розчином із
літій-іонною провідністю, а також додаван-
ня невеликої кількості рідкого електроліту.
Це дозволило зменшити опір на межі поді-
лу фаз та покращити транспорт іонів літію.
Прототип ТТА демонструє високу по-
чаткову розрядну ємність (146 мА·год/г),
що становить 92 % від ємності зразка з рід-
ким електролітом. Результати тривалого
гальваностатичного циклування при 0,9С
підтверджують стабільність електрохіміч-
них параметрів системи із розробленим
твердим електролітом, оскільки значення
питомої ємності знижується на 6 %, при
цьому збільшення опору становить менше
6 % після проходження 130 циклів заряд/
розряд.
Отже, розроблений композитний полі-
мерний електроліт є перспективним мате-
ріалом для використання в твердотільних
літієвих джерелах струму завдяки стабіль-
ності та ефективності.
Роботу виконано за підтримки На-
ціональної академії наук України
в рамках проєкту «Розробка плів-
кових композиційних літій- та на-
трій-провідних електролітів і елек-
тродних матеріалів для твердотіль-
них акумуляторів» (реєстраційний
№ 0125U000641 та реєстраційний
№ 0125U001106)
POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE
BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE
LITHIUM BATTERIES.
I. L. Yefimishch1, H. S. Bubela1,
O. A. Syvolozhsky1, N. G. Stryzhakova1,
Y. A. Maletin1, I. V. Lisovskyi2
1 Institute for Sorption and Problems
of Endoecology of the National Academy
of Sciences of Ukraine,
13 Oleg Mudrak str., 03164 Kyiv, Ukraine;
2 V.I. Vernadskyi Institute of General and
Inorganic Chemistry of the National Academy
of Sciences of Ukraine,
32/34 Akademika Palladina Ave., 03142 Kyiv,
Ukraine
e-mail: irinaefimich@gmail.com
A composite solid electrolyte based on
the fluoropolymer Neoflon VT-475, the ionic
liquid PYR14-TFSI, and the lithium salt
LiTFSI has been developed and studied for
use in solid-state lithium-ion batteries. As a
lithium-conductive additive, nanoparticles of
20 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2025
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВФІЗИЧНА ХІМІЯ
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) with a NASICON-
type structure were introduced into the electro-
lyte composition, providing three-dimensional
channels for efficient lithium-ion migration.
LATP was synthesized using a sol-gel method,
which enabled the production of particles with
high ionic conductivity and a stable crystalline
structure. The methodology for fabricating the
electrolyte in the form of a film is described,
along with its characteristics, including elect
rochemical properties, which were investi-
gated in laboratory battery prototypes with a
LiFePO4 (LFP) cathode and a Li4Ti5O12 (LTO)
anode modified with LATP. To improve inter-
facial contact between the solid electrolyte and
the electrodes, a liquid-phase treatment was
applied. The electrode surfaces were addition-
ally impregnated with a polymer solution to
enhance adhesion and interfacial contact. This
approach reduced interfacial resistance, im-
proved ion transport, and ensured stable per-
formance during long-term cycling. The study
showed that the developed prototypes with
the composite solid electrolyte demonstra
ted specific capacities comparable to those of
samples with liquid electrolytes under current
loads up to 4C. Long-term cycling statistics in-
dicated a high level of stability, with capacity
degradation not exceeding 6% after 130 full
charge-discharge cycles. The developed elec-
trolyte is promising for use in solid-state lithi-
um-ion batteries with improved performance,
safety, and durability, as its structure and com-
position help reduce dendrite formation risk,
enhance interfacial layer stability, and main-
tain high ionic conductivity even under high
loads.
Key words: solid-state LIB, polymeric elec-
trolyte, LATP.
ЛІТЕРАТУРА
1. Nasajpour-Esfahani N., Garmestani H., Bag
heritabar M., Jasim D.J., Toghraie D., Dad-
khah S., Firoozeh H. Comprehensive review of
lithium-ion battery materials and development
challenges. Renewable and Sustainable Energy
Reviews. 2024. 203. P.114783.
2. Rufino Júnior C.A., Sanseverino E.R., Gallo P.,
Amaral M.M., Koch D., Kotak Y., Diel S., Walter
G., Schweiger H.-G., Zanin H. Unraveling the
degradation mechanisms of lithium-ion batte
ries. Energies. 2024. 17 (14). P. 3372.
3. Lin Y.-X., Liu Z., Leung K., Chen L.-Q., Lu P.,
Qi Y. Connecting the irreversible capacity loss
in Li-ion batteries with the electronic insulat-
ing properties of solid electrolyte interphase
(SEI) components. J. Power Sources. 2016. 309.
P. 221–230.
4. Machín A. Advancements and challenges in so
lid-state battery technology: an in-depth review
of solid electrolytes and anode innovations. Bat-
teries. 2024. 10 (1). P. 29.
5. Moradi Z., Lanjan A., Tyagi R., Srinivasan S. Re-
view on current state, challenges, and potential
solutions in solid-state batteries research. Jour-
nal of Energy Storage. 2023. 73 (C). P. 109048.
6. Sung J., Heo J., Kim D.-H., Jo S., Ha Y.-C., Kim D.,
Ahn S., Park J.-W. Recent advances in all-solid-
state batteries for commercialization. Materials
Chemistry Frontiers. 2024. 8. P. 1861–1887.
7. Joshi A., Mishra D.K., Singh R., Zhang J.,
Ding Y. A comprehensive review of solid-state
batteries. Applied Energy. 2025. 386. P. 125546.
8. Sarfraz N., Kanwal N., Ali M., Ali K., Hasnain A.,
Ashraf M., Ayaz M., Ifthikar J., Ali S., Hendi A.,
Baig N., Ehsan M.F., Shah S.S., Khan R., Khan I.
Materials advancements in solid-state inorganic
electrolytes for highly anticipated all solid Li-
ion batteries. Energy Storage Materials. 2024.
71. P. 103619.
9. Bachman J. C., Muy S., Grimaud A., Chang H.
21https://ucj.org.ua
І. Л. Єфіміщ, Г. С. Бубела, О. А. Сиволожський, Н. Г. Стрижакова, Ю. А. Малєтін, І. В. Лісовський УХЖ № 8 / ТОМ 91
H., Pour N., Lux S. F., Paschos. O., Maglia F., Lu-
part S., Lamp P., Giordano L., Shao-Horn, Y. In-
organic solid-state electrolytes for lithium bat-
teries: mechanisms and properties governing
ion conduction. Chemical reviews, 2016. 116(1).
P. 140.
10. Hou M., Liang F., Chen K., Dai Y., Xue D. Chal-
lenges and perspectives of NASICON-type so
lid electrolytes for all-solid-state lithium batte
ries. Nanotechnology. 2020. 31 (13). P. 132003.
11. Song Z., Chen F., Martinez-Ibañez M., Feng W.,
Forsyth M., Zhou Z., Armand M., Zhang H.
A reflection on polymer electrolytes for sol-
id-state lithium metal batteries. Nature Commu-
nications. 2023. 14. P. 4884.
12. Li S., Li L., Yang H., Zhao Y., Shan Y. A review of
composite polymer electrolytes for solid-state
lithium-sulfur batteries: Synthesis methods, op-
timal design, and critical challenges. Chemical
Engineering Journal. 2024. 484. P. 149433.
13. Jian S., Cao Y., Feng W., Yin G., Zhao Y., Lai Y.,
Zhang T., Ling X., Wu H., Bi H., Dong Y. Re-
cent progress in solid polymer electrolytes with
various dimensional fillers: a review. Materials
Today Sustainability. 2022. 20. P. 100224.
14. Liang X., Han D., Wang Y., Lan L., Mao J. Prepa-
ration and performance study of a PVDF–LATP
ceramic composite polymer electrolyte mem-
brane for solid-state batteries. RSC Adv. 2018. 8.
P. 40498–40504.
15. Yao Z., Qi F., Ye L., Sun Q., Gu X., Yang X.,
Zhu K. Composite polymer electrolyte based on
poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)
(PVDF-HFP) for solid-state batteries. Heliyon.
2024. 10 (6). P. e28097.
16. Lisovskyi I., Solopan S., Belous A., Khomen-
ko V., Barsukov V. An effective modification of
LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 with Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 as a
high-performance cathode material for Li-ion
batteries. Journal of Applied Electrochemistry.
2022. 52. P. 1701–1713.
17. Yan, C.; Yao, Y.-X.; Chen, X.; Cheng, X.-B.;
Zhang, X.-Q.; Huang, J.-Q.; Zhang, Q. Lithi-
um nitrate solvation chemistry in carbonate
electrolytes sustains high-voltage lithium met-
al batteries. Angewandte Chemie International
Edition. 2018. 130. P. 14251–14255.
18. Kerman K., Luntz A., Viswanathan V., Chiang
Y.-M., Chen Z. Review – practical challenges
hindering the developments of solid-state Li ion
batteries. Journal of The Electrochemical Society.
2017. 164. P. A1731–A1744.
19. Keller M., Varzi A., Passerini S. Hybrid electro-
lytes for lithium metal batteries. Journal of Po
wer Sources. 2018. 392. P. 206–225.
20. Zhao C.-Z., Zhao B.-C., Yan C., Zhang X.-Q.,
Huang J.-Q., Mo Y., Xu X., Li H., Zhang Q.
Liquid phase therapy to solid electrolyte–elec-
trode interface in solid-state Li metal batte
ries: A review. Energy Storage Mater. 2020. 24.
P. 75–84.
REFERENCES
1. Nasajpour-Esfahani N., Garmestani H., Baghe
ritabar M., Jasim D.J., Toghraie D., Dadkhah S.,
Firoozeh H. Comprehensive review of lith-
ium-ion battery materials and development
challenges. Renewable and Sustainable Energy
Reviews. 2024. 203: 114783.
2. Rufino Júnior C.A., Sanseverino E.R., Gallo P.,
Amaral M.M., Koch D., Kotak Y., Diel S., Walter
G., Schweiger H.-G., Zanin H. Unraveling the
degradation mechanisms of lithium-ion batte
ries. Energies. 2024. 17 (14): 3372.
3. Lin Y.-X., Liu Z., Leung K., Chen L.-Q., Lu P.,
Qi Y. Connecting the irreversible capacity loss
in Li-ion batteries with the electronic insulating
properties of solid electrolyte interphase (SEI)
components. J. Power Sources. 2016. 309: 221-
230.
4. Machín A. Advancements and challenges in so
lid-state battery technology: an in-depth review
of solid electrolytes and anode innovations.
22 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2025
ПОЛІМЕРНИЙ КОМПОЗИТНИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ НА ОСНОВІ NASICON ДЛЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ Li-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВФІЗИЧНА ХІМІЯ
Batteries. 2024. 10 (1): 29.
5. Moradi Z., Lanjan A., Tyagi R., Srinivasan S.
Review on current state, challenges, and poten-
tial solutions in solid-state batteries research.
Journal of Energy Storage. 2023. 73 (C): 109048.
6. Sung J., Heo J., Kim D.-H., Jo S., Ha Y.-C.,
Kim D., Ahn S., Park J.-W. Recent advances in
all-solid-state batteries for commercialization.
Materials Chemistry Frontiers. 2024. 8: 1861–
1887.
7. Joshi A., Mishra D.K., Singh R., Zhang J.,
Ding Y. A comprehensive review of solid-state
batteries. Applied Energy. 2025. 386: 125546.
8. Sarfraz N., Kanwal N., Ali M., Ali K., Hasnain A.,
Ashraf M., Ayaz M., Ifthikar J., Ali S., Hendi A.,
Baig N., Ehsan M.F., Shah S.S., Khan R., Khan I.
Materials advancements in solid-state inorganic
electrolytes for highly anticipated all solid Li-
ion batteries. Energy Storage Materials. 2024.
71: 103619.
9. Bachman J. C., Muy S., Grimaud A., Chang H.
H., Pour N., Lux S. F., Paschos. O., Maglia F.,
Lupart S., Lamp P., Giordano L., Shao-Horn,
Y. Inorganic solid-state electrolytes for lithium
batteries: mechanisms and properties govern-
ing ion conduction. Chemical reviews, 2016.
116(1): 140.
10. Hou M., Liang F., Chen K., Dai Y., Xue D. Chal-
lenges and perspectives of NASICON-type sol-
id electrolytes for all-solid-state lithium batter-
ies. Nanotechnology. 2020. 31 (13): 132003.
11. Song Z., Chen F., Martinez-Ibañez M., Feng W.,
Forsyth M., Zhou Z., Armand M., Zhang H.
A reflection on polymer electrolytes for solid-
state lithium metal batteries. Nature Communi-
cations. 2023. 14: 4884.
12. Li S., Li L., Yang H., Zhao Y., Shan Y. A review of
composite polymer electrolytes for solid-state
lithium-sulfur batteries: Synthesis methods, op-
timal design, and critical challenges. Chemical
Engineering Journal. 2024. 484: 149433.
13. Jian S., Cao Y., Feng W., Yin G., Zhao Y., Lai Y.,
Zhang T., Ling X., Wu H., Bi H., Dong Y. Re-
cent progress in solid polymer electrolytes with
various dimensional fillers: a review. Materials
Today Sustainability. 2022. 20: 100224.
14. Liang X., Han D., Wang Y., Lan L., Mao J. Prepa-
ration and performance study of a PVDF–LATP
ceramic composite polymer electrolyte mem-
brane for solid-state batteries. RSC Adv. 2018. 8:
40498–40504.
15. Yao Z., Qi F., Ye L., Sun Q., Gu X., Yang X., Zhu
K. Composite polymer electrolyte based on
poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)
(PVDF-HFP) for solid-state batteries. Heliyon.
2024. 10 (6): e28097.
16. Lisovskyi I., Solopan S., Belous A., Khomenko
V., Barsukov V. An effective modification of
LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 with Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 as a
high-performance cathode material for Li-ion
batteries. Journal of Applied Electrochemistry.
2022. 52: 1701–1713.
17. Yan, C.; Yao, Y.-X.; Chen, X.; Cheng, X.-B.;
Zhang, X.-Q.; Huang, J.-Q.; Zhang, Q. Lithi-
um nitrate solvation chemistry in carbonate
electrolytes sustains high-voltage lithium met-
al batteries. Angewandte Chemie International
Edition. 2018. 130: 14251–14255.
18. Kerman, K.; Luntz, A.; Viswanathan, V.; Chiang,
Y.-M.; Chen, Z. Review – practical challenges
hindering the developments of solid-state Li ion
batteries. Journal of The Electrochemical Society.
2017. 164: A1731–A1744.
19. Keller M., Varzi A., Passerini S. Hybrid electro-
lytes for lithium metal batteries. Journal of Pow-
er Sources. 2018. 392: 206–225.
20. Zhao C.-Z., Zhao B.-C., Yan C., Zhang X.-Q.,
Huang J.-Q., Mo Y., Xu X., Li H., Zhang Q. Liq-
uid phase therapy to solid electrolyte–electrode
interface in solid-state Li metal batteries: A re-
view. Energy Storage Mater. 2020. 24: 75–84.
Стаття надійшла 21.08.2025.
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-743 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:13:31Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/1f/2f54f196ab3b798394d024d79225f41f.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-7432026-07-22T08:23:56Z POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES Yefimishch, Iryna Bubela, Galina Syvolozhsky, Oleksii Stryzhakova, Natalia Maletin, Yurii Lisovskyi, Ivan solid-state LIB, polymeric electrolyte, LATP. A composite solid electrolyte based on the fluoropolymer Neoflon VT-475, the ionic liquid PYR14-TFSI, and the lithium salt LiTFSI has been developed and studied for use in solid-state lithium-ion batteries. As a lithium-conductive additive, nanoparticles of Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) with a NASICON-type structure were introduced into the electrolyte composition, providing three-dimensional channels for efficient lithium-ion migration. LATP was synthesized using a sol-gel method, which enabled the production of particles with high ionic conductivity and a stable crystalline structure. The methodology for fabricating the electrolyte in the form of a film is described, along with its characteristics, including electrochemical properties, which were investigated in laboratory battery prototypes with a LiFePO4 (LFP) cathode and a Li4Ti5O12 (LTO) anode modified with LATP. To improve interfacial contact between the solid electrolyte and the electrodes, a liquid-phase treatment was applied. The electrode surfaces were additionally impregnated with a polymer solution to enhance adhesion and interfacial contact. This approach reduced interfacial resistance, improved ion transport, and ensured stable performance during long-term cycling. The study showed that the developed prototypes with the composite solid electrolyte demonstrated specific capacities comparable to those of samples with liquid electrolytes under current loads up to 4C. Long-term cycling statistics indicated a high level of stability, with capacity degradation not exceeding 6% after 130 full charge-discharge cycles. The developed electrolyte is promising for use in solid-state lithium-ion batteries with improved performance, safety, and durability, as its structure and composition help reduce dendrite formation risk, enhance interfacial layer stability, and maintain high ionic conductivity even under high loads.   V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2025-09-25 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/743 10.33609/2708-129X.91.8.2025.13-22 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 91 No. 8 (2025): Ukrainian Chemistry Journal; 13-22 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 91 ##issue.no## 8 (2025): Ukrainian Chemistry Journal; 13-22 Український хімічний журнал; Том 91 № 8 (2025): Ukrainian Chemistry Journal; 13-22 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/743/379 Copyright (c) 2025 Iryna Yefimishch, Galina Bubela, Oleksii Syvolozhsky, Natalia Stryzhakova, Yurii Maletin, Ivan Lisovskyi https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Yefimishch, Iryna Bubela, Galina Syvolozhsky, Oleksii Stryzhakova, Natalia Maletin, Yurii Lisovskyi, Ivan POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title | POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title_full | POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title_fullStr | POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title_full_unstemmed | POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title_short | POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES |
| title_sort | polymeric composite electrolyte based on nasicon for solid-state lithium batteries |
| topic_facet | solid-state LIB polymeric electrolyte LATP. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/743 |
| work_keys_str_mv | AT yefimishchiryna polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries AT bubelagalina polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries AT syvolozhskyoleksii polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries AT stryzhakovanatalia polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries AT maletinyurii polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries AT lisovskyiivan polymericcompositeelectrolytebasedonnasiconforsolidstatelithiumbatteries |