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MIT研究人员制造新型富锂陶瓷电解质 更安全

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锂电池通常使用由液体和聚合物混合而成的电解液,暴露于空气中时,可能引发火灾。固态电池由于采用更加安全的固体材料代替了锂电池中常用的液体聚合物电解液,为业界所推崇。据外媒报道,麻省理工学院(MIT)的研究人员开发新的脉冲激光沉积技术,以更少的热量制造更薄的锂电解质,有望打造充电速度更快、电压更高的固态锂离子电池。这种方法可以使未来固态电池的正极空间更大,并降低加工温度。

这一固态电池电解质加工新技术的关键在于,活性电解质含锂石榴石组分层(Li6.25Al0.25La3Zr2O12或LLZO)与氮化锂(Li3N)层交替出现。首先,在大约300℃的脉冲激光沉积过程中,把这些层体像饼干一样叠加起来。然后,加热到660℃,再缓慢冷却,这一过程称为退火。在退火过程中,几乎所有的氮原子都被烧成气体,原始氮化物层中的锂原子融合到含锂石榴石中,形成单一富锂陶瓷薄膜。石榴石薄膜中额外的锂含量,使材料保留立方结构,使正电荷锂离子在电解质中快速移动。

使用其他方法生产富锂陶瓷材料,比如用烧结工艺加热,也可以产生致密的微观结构,保持较高的锂浓度,但是需要更高的热量,这导致材料体积过大。相比之下,MIT副教授Jennifer Rupp和她的学生开创的新技术,可以制造出大约330纳米厚的薄膜。Jennifer Rupp表示:“我们在电池中加入更安全的材料,新的陶瓷材料使电解质所占的空间减少100倍。一般来说,采用薄膜结构的电解质,而不是厚陶瓷材料,可以使电池具有更大的电极空间,提升活性存储容量。固态电池不需要很大的电解质。”

全新多层沉积技术产生名为含锂石榴石(LLZO)的材料,该材料的离子电导率是迄今为止锂基电解质化合物中最快的,约为2.9 x 10-5 S cm-1。在退火过程中,薄膜中的晶体结构从无序或非晶态向全晶态、高导电相发展。通过这种方法,研究人员就能理解和观察晶体相,从而提高离子电导率。

生产固态电池的挑战之一,是制造这种材料。要想降低制造成本、并与现有电解液锂离子电池的成本持平,是困难的。其中一个主要原因是需要高温处理陶瓷固体电解质。通常情况下,只有在高温环境下,才能实现足够的固态扩散,以混合陶瓷电解质的组成原子。本次研究提出的新方法,通过在纳米结构中插入锂层,将基于石榴石的固态电池的加工温度降低数百度,达到一半以上,有效克服这一障碍。

研究人员在验证含锂石榴石电极的高导电性及新工艺之后,下一步将测试实际电池中的材料,探讨这种材料如何与电池正极发生反应,以及它的稳定性。麻省理工学院和苏黎世联邦理工大学(ETH)联合申请两项多层含锂石榴石/氮化锂加工专利。新加工方法可以精确控制材料中的锂浓度,也可应用于其他锂氧化物薄膜中,如电池电极应用中的钛酸锂和钴酸锂。

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