陰極材料的氣溶膠沉積顯示出對固態(tài)電解質(zhì)的巨大希望

要實現(xiàn)鋰電池發(fā)展的下一階段，需要材料工程師和科學(xué)家的創(chuàng)新和新技術(shù)。大多數(shù)電池研究人員都認為，先進鋰電池的下一步將包括固態(tài)電解質(zhì)。目前的商用鋰離子電池使用由易燃的液體有機溶劑組成的電解質(zhì)。這可能損害大規(guī)模鋰離子電池的安全性，例如用于電動車輛(EV)或用于電網(wǎng)存儲的鋰離子電池。

通過使用鋰金屬作為陽極，固體電解質(zhì)還具有將電池容量和性能提高2至3倍的潛力。商業(yè)電池目前使用碳石墨陽極，其在充電期間嵌入鋰離子并在放電期間釋放它們。該方法避免了在充電期間在鋰金屬表面上形成尖刺的樹枝狀晶體的形成。碳陽極不能釋放與鋰金屬一樣多的鋰離子，因此具有較低的性能水平?？梢詮匿嚱饘俦砻孀杂缮L到液體電解質(zhì)中的枝晶晶體將受到致密固體電解質(zhì)的限制和限制。

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如果固態(tài)電池是下一個重要的東西，是什么阻礙它們?日本豐橋技術(shù)大學(xué)的一個團隊在大學(xué)新聞發(fā)布會上指出，固體電解質(zhì)必須做兩件事。它必須具有高離子電導(dǎo)率(在室溫下高于1 mS / cm)并且必須具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性(特別是在許多充電和放電循環(huán)之后)。

固體電解質(zhì)正在考慮兩種類型的陶瓷材料。硫化物基固體電解質(zhì)具有高鋰離子傳導(dǎo)性，但可能是化學(xué)不穩(wěn)定的 - 特別是當暴露在空氣中時。氧化物固體電解質(zhì)在化學(xué)上更穩(wěn)定，但通常表現(xiàn)出差的離子導(dǎo)電性。Toyohashi大學(xué)電子電氣信息工程系的Ryoji Inada和他的同事們致力于開發(fā)一種石榴石型快速離子導(dǎo)電氧化物作為全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)。

由Inada開發(fā)的石榴石型快速鋰離子傳導(dǎo)氧化物Li7-xLa3Zr2-xTaxO12(x = 0.4-0.5，稱為LLZTO)，由于其良好的離子導(dǎo)電性和高電化學(xué)穩(wěn)定性，因此是固體電解質(zhì)的良好候選物。然而，還有一些其他問題需要解決。致密化所需的1000-1200℃的高溫燒結(jié)在與可能的陰極材料的界面處產(chǎn)生副反應(yīng)。這防止了將固體電解質(zhì)與陰極共燒結(jié)的選擇。

為了克服這一局限，Inada和他的團隊通過使用氣溶膠沉積方法在石榴石型LLZTO上制造了三釩酸鋰(LiV3O8，稱為LVO)厚膜陰極。這種室溫技術(shù)通過將陶瓷顆粒撞擊到基板上而產(chǎn)生材料膜。通過控制粒徑和形狀，可以在不進行任何熱處理的情況下構(gòu)建致密且厚的陶瓷膜。通過使用氣溶膠沉積，Inada能夠?qū)⒑穸葹?-6μm的厚膜陰極添加到先前燒結(jié)的LLZTO氧化物基固體電解質(zhì)中。將鋰金屬箔附著到固體電解質(zhì)的相對側(cè)，形成測試電池單元。

在50℃和100℃下測量測試電池的性質(zhì)。在較低溫度下，測量電池容量為100毫安小時/克(mAh / gm)。然而，在100°C時，容量上升到有希望的300 mAh / gm - 大約是LVO陰極用傳統(tǒng)液體電解質(zhì)提供的。

豐橋大學(xué)實驗的結(jié)果有一些重要意義。他們表明，氧化物基固體電解質(zhì)可以產(chǎn)生高鋰離子傳導(dǎo)，同時具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。他們還發(fā)現(xiàn)了一種生產(chǎn)厚膜LVO陰極的方法，當氣溶膠沉積在固體電解質(zhì)基底上時，該陰極具有高粘附性和良好的電化學(xué)性質(zhì)。

雖然固態(tài)電解質(zhì)尚未準備好迎接黃金時段，但材料研究人員正在尋找解決它們所帶來問題的方法。這項工作以及世界各地研究團隊的不斷努力，使固態(tài)電解質(zhì)的前景更加貼近現(xiàn)實。