鋰陶瓷可以作為固體電解質(zhì)，用于更強(qiáng)大、更經(jīng)濟(jì)的可充電鋰離子電池。挑戰(zhàn)在于找到一種在高溫下不燒結(jié)的生產(chǎn)方法。
現(xiàn)在，由美國麻省理工學(xué)院(MIT)和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TU Munich)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組現(xiàn)在開發(fā)了一種無燒結(jié)的方法，可以高效、低溫地合成導(dǎo)電晶體形式的這些陶瓷。
(圖片來源：網(wǎng)絡(luò))
一直以來，主導(dǎo)著電動汽車發(fā)展的因素有兩個：動力(它決定了汽車的續(xù)航里程)和成本。美國能源部旨在加速從汽油動力汽車向電動汽車的過渡，并制定了到2030年降低生產(chǎn)成本和提高電池能量密度的宏偉目標(biāo)。這些目標(biāo)是傳統(tǒng)鋰離子電池無法實現(xiàn)的。
制造更小、更輕、更強(qiáng)大、更安全的電池的一個非常有前途的方法是使用固態(tài)電池，其陽極由金屬鋰而不是石墨制成。傳統(tǒng)的鋰離子電池具有液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)，并使用聚合物膜將陽極和陰極分隔開。
與之相反，固態(tài)電池的所有組件都是固體。薄陶瓷層同時充當(dāng)固體電解質(zhì)和分離器。它對鋰枝晶生長引起的危險短路和熱失控都是非常有效的。此外，它們不含易燃液體。
石榴石型固體電解質(zhì)——Li7La3Zr2O12(LLZO)是一種適合于高能量密度電池的陶瓷電解質(zhì)/分離器。這種材料必須在1050°C以上與陰極一起燒結(jié)，才能將LLZO轉(zhuǎn)化為快速導(dǎo)電鋰的立方晶相，使其足夠致密，并牢固地結(jié)合到電極上。
然而，超過600°C的溫度會破壞可持續(xù)的低鈷或無鈷陰極材料的穩(wěn)定性，同時也會提高生產(chǎn)成本和能耗。需要更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)的新生產(chǎn)方法。新研究就在這方面取得了突破，成果已于近期發(fā)表在了“Angewandte Chemie”雜志上。
據(jù)悉，他們的新工藝不是基于陶瓷前驅(qū)體化合物，而是基于液體前驅(qū)體化合物，在順序分解合成中直接致密形成LLZO。為了優(yōu)化這種合成路線的條件，該團(tuán)隊使用多種方法分析了LLZO從無定形到所需晶體形式(cLLZO)的多步相變，并制作了時間-溫度轉(zhuǎn)變圖。
基于他們對結(jié)晶過程的深入了解，他們開發(fā)了一種方法，在相對較低的500°C溫度下，經(jīng)過10小時的退火，cLLZO成為致密的固體薄膜，而無需燒結(jié)。對于未來的電池設(shè)計，這種方法將允許將固體LLZO電解質(zhì)與可持續(xù)陰極集成，從而避免使用鈷等元素。
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