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AM:10秒1000℃快速焦耳热制备高性能固态电解质

已有 707 次阅读 2024-5-8 14:24 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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2021年,马里兰大学胡良兵教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“High-Temperature Ultrafast Sintering: Exploiting a New Kinetic Region to Fabricate Porous Solid-State Electrolyte Scaffolds”的论文,通过快速焦耳热法可以几秒内在高温下合成一系列3D多孔的陶瓷固态电解质骨架

【总结】

(1)创新的超高温快速烧结技术:这种方法可以几秒钟内在高温下快速烧结出具有纯晶相和保持所需孔隙结构的3D多孔陶瓷固态电解质(SSE)骨架。这种技术突破了传统烧结技术所需的长时间和低温的限制。

(2)高效的材料利用率和减少挥发性元素损失:由于烧结时间短,该方法有效减少了在烧结过程中易挥发元素的损失,提高了材料的利用率和最终产品的性能。

(3)实现纯净的晶相和高离子导电性:通过该烧结技术,能够精确控制烧结过程和持续时间,保证了陶瓷SSE具有纯净的晶相和高的离子导电性(1.9×10^-4 S/cm),这对提高固态电池的性能至关重要。

(4)广泛的材料和基底适应性:这种方法不仅适用于多种陶瓷SSE材料(如LLZTO、LATP、LLTO),还可以在多种基底(如Al2O3片、钛片、不锈钢和碳纸)上实现烧结,显示了极高的适应性和灵活性。

(5)促进固态电池的灵活性和应用:由于生成的SSE薄层具有良好的机械强度和灵活性,这为固态电池在可穿戴设备和其他需要柔性电池的应用中提供了可能。

(6)复合固态电解质:文中还展示了如何将多孔LLZTO骨架与聚乙烯氧化物(PEO)和锂盐复合,形成具有高离子导电性的复合固态电解质,这种复合材料的研究为高性能固态电池的开发提供了新方向。

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图1. 3D多孔SSE骨架的示意图

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图2. P-LLZTO的表征

【研究背景】

(1)固态电池因其优异的安全性和潜在的更高能量密度而被视为电池技术的重要发展方向。与传统的液态或凝胶电解质电池相比,固态电池使用固态电解质(SSE),避免了液态电解质可能引起的泄漏和燃烧问题。

(2)虽然固态电解质提供了更好的安全性,但现有材料(如聚合物和陶瓷)在机械强度、热稳定性、离子导电性和加工性方面仍存在局限。这些问题限制了固态电解质的广泛应用。

(3)传统的陶瓷SSE制备方法通常涉及长时间的低温烧结过程,这不仅效率低下,而且容易导致易挥发性元素(如锂)的损失,影响最终产品的性能和一致性。

(4)固态电池的性能大大依赖于电解质和电极之间的接触质量。3D多孔结构有助于降低界面电阻,改善离子传输效率,但在保持这种结构的同时确保材料的其他性能是一大挑战。

(5)为了克服上述挑战,需要开发新的制备技术,这些技术能够在保持材料性能的同时提高生产效率和降低成本。特别是能够快速有效地制备出具有良好离子导电性和结构完整性的陶瓷SSE是研究的关键。

【研究方法】

(1)材料的准备:首先准备固态电解质(SSE)的粉末前驱体,这些前驱体包括LLZTO、LATP和LLTO等多种陶瓷材料。这些粉末通过球磨和混合,确保均匀分散,以便于后续的烧结处理。

(2)3D多孔结构的打印和布局:使用喷雾器或其他打印技术将前驱体粉末均匀地喷涂或打印在各种基底(如金属箔、陶瓷片等)上。通过控制喷涂厚度和均匀性,为后续烧结过程创造良好的基础。

(3)超高温快速烧结过程:使用碳带加热器在极短时间内(如10秒内)将材料加热至高温(通常超过1000℃)。这一过程利用焦耳热快速升温和降温,以实现快速反应烧结并形成所需的晶相,同时保留多孔结构。

(4)烧结参数的优化:通过精确控制烧结温度和时间,调整材料的微观结构和宏观形貌,确保陶瓷SSE既具有良好的机械强度也具有优异的离子传输性能。

(5)后处理和复合电解质的制备:将烧结后的多孔SSE骨架与聚合物(如聚乙烯氧化物PEO)和锂盐(如LiTFSI)混合,形成复合固态电解质。这一步骤通过浸渍和干燥过程实现,确保聚合物完全填充SSE的多孔结构。

(6)性能的表征:使用多种表征技术,如扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学阻抗谱(EIS)等,评估烧结样品的微观结构、晶相纯度以及离子导电性能。

(7)系统的测试和评估:在实际的固态电池配置中测试这些复合电解质的性能,包括其在不同温度和电化学条件下的稳定性和电导率。

【研究结果】

(1)成功实现超高温快速烧结:通过使用碳带加热器在10秒内将材料加热至约1273 K(1000℃),成功烧结出具有良好结构完整性和高纯度晶相的3D多孔固态电解质(SSE)骨架。

(2)优化的微观结构:烧结的SSE展示了良好的孔隙结构和颗粒间的连通性,这对于提高离子导电性是至关重要的。微观结构的优化通过SEM(扫描电子显微镜)图像得到了证实,显示了晶粒之间的颈部生长和均匀分布的孔隙。

(3)高离子导电性:研究表明,通过这种快速烧结方法制备的多孔SSE具有较高的离子导电性。例如,使用PEO和LiTFSI盐复合后的LLZTO骨架在室温下的离子导电性约为1.9×10^-4 S/cm。

(4)减少挥发性元素损失:与传统的长时间低温烧结方法相比,该快速高温烧结方法显著减少了锂元素的损失,从而维持了材料的高纯度和优异性能。

(5)广泛的材料和基底适应性:该技术被证明适用于多种陶瓷SSE材料(如LLZTO、LATP、LLTO)和多种基底(如Al2O3片、钛片、不锈钢和碳纸),展示了其广泛的适应性。

(6)提高电池组件的性能:通过将烧结的多孔SSE与聚合物电解质集成,形成了具有良好界面接触的复合电解质,这有助于提高整体电池装置的电化学性能和机械稳定性。

【展望】

根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:

(1)进一步优化烧结参数:虽然已经实现了快速烧结,但研究可以继续探索不同的烧结温度、时间和冷却速率对SSE微观结构和性能的影响,以寻求最优的烧结条件。

(2)探索更多种类的材料:扩展研究到其他类型的固态电解质材料,包括不同的陶瓷和聚合物材料,以评估该技术的普适性和适应性。

(3)复合材料的深入研究:继续研究不同类型的聚合物和无机材料的复合效果,优化复合电解质的配方和制备工艺,以进一步提升离子导电性和机械稳定性。

(4)烧结技术的规模化与自动化:研究如何将实验室规模的烧结技术扩展到工业生产规模,包括自动化制备和连续生产技术的开发。

(5)电池组件的整体性能评估:在实际的全电池配置中测试使用该技术制备的SSE的性能,包括其在长期循环、高负载和不同温度条件下的稳定性和可靠性。

(6)界面工程的研究:深入研究SSE与电极材料之间的界面互作,探索通过界面工程优化电荷传输和减少界面阻抗的方法。

(7)环境影响与可持续性评估:评估高温快速烧结技术的环境影响,包括能耗、生命周期评估以及可能的环境风险,以确保该技术的可持续发展。

(8)安全性与可靠性分析:进行全面的安全性评估,特别是在高温快速操作条件下,确保烧结过程和最终产品的安全可靠。

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总经理:高丽竹 18610000351(微信同号)

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https://doi.org/10.1002/adma.202100726



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