研究团队用无烧结方法低温合成锂陶瓷 可用作固体电池电解质

盖世汽车讯 使用锂陶瓷固体电解质，可以改善可充电锂离子电池的性能和成本效益，其中挑战在于找到无需高温烧结陶瓷的生产方法。据外媒报道，美国麻省理工学院（MIT）和德国慕尼黑工业大学（TU Munich）研究团队引入无烧结方法，可以高效且低温合成导电晶体形式陶瓷。

（图片来源：onlinelibrary.wiley.com）

影响电动汽车电池发展的两个主要因素是功率和成本，前者决定了车辆的续航里程，而后者在与内燃机车辆的竞争中具有重要意义。美国能源部（US Department of Energy）致力于加速从汽油动力汽车向电动汽车过渡，并制定了到2030年降低生产成本和提高电池能量密度的目标。这些目标是使用传统锂离子电池无法实现的。

为了实现更小、更轻、更强大且更安全的电池，可以采用固态电池（其中使用由金属锂而不是石墨制成的阳极）。传统锂离子电池采用液体有机电解质，并通过聚合物薄膜将阳极室和阴极室隔开。与之相反，固态电池中的所有组件都是固体，其中薄陶瓷层可同时充当固体电解质和隔膜，从而有效防止锂枝晶生长，并避免因热失控引起的短路风险。此外，这种电解质中不含易燃液体。

传统锂离子电池采用液体有机电解质，并通过聚合物薄膜将阳极室和阴极室隔开。与之相反，固态电池中的所有组件都是固体，其中薄陶瓷层可同时充当固体电解质和隔膜，从而有效防止锂枝晶生长，并避免因热失控引起的短路风险。此外，这种电解质中不含易燃液体。

石榴石型氧化锂Li7La3Zr2O12−d（LLZO）可作为陶瓷电解质/隔膜，用于高能量密度电芯。这种材料必须与阴极在超过1050℃的温度下烧结在一起，以将LLZO转化为快速传导锂的立方晶相，使其充分致密化并牢固地结合到电极上。然而，当温度超过600℃时，可持续低钴或无钴阴极材料的稳定性会受到影响，同时增加生产成本和能耗。因此，需要更经济、更可持续的新生产方法。

新工艺不是基于陶瓷前体化合物，而是基于液体前体化合物，在连续分解合成过程中可直接致密化形成LLZO。为了优化合成条件，该团队通过多种方法（拉曼光谱、动态差示扫描量热法）来分析LLZO从无定形形式到所需结晶形式（cLLZO）的多步相变，并得出时间-温度变换图。

基于对结晶过程的深入了解，研究人员开发了一种方法，在相对较低的500℃温度下，经过10小时的退火，cLLZO可以形成致密的固体薄膜，而无需烧结。对于未来的电池设计，这种方法可使固体LLZO电解质与可持续阴极集成，从而避免使用钴等稀缺元素。