陰極材料的氣溶膠沉積顯示出對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的巨大希望

要實(shí)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(rèn)為，先進(jìn)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(jī)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(dòng)車輛(EV)或用于電網(wǎng)存儲(chǔ)的鋰離子電池。

通過(guò)使用鋰金屬作為陽(yáng)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(yáng)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(shù)枝狀晶體的形成。碳陽(yáng)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(zhǎng)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(gè)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(gè)團(tuán)隊(duì)在大學(xué)新聞發(fā)布會(huì)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(dāng)暴露在空氣中時(shí)。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(kāi)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(kāi)發(fā)的石榴石型快速鋰離子傳導(dǎo)氧化物L(fēng)i7-xLa3Zr2-xTaxO12(x = 0.4-0.5，稱為L(zhǎng)LZTO)，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(wèn)題需要解決。致密化所需的1000-1200℃的高溫?zé)Y(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(tuán)隊(duì)通過(guò)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L(zhǎng)VO)厚膜陰極。這種室溫技術(shù)通過(guò)將陶瓷顆粒撞擊到基板上而產(chǎn)生材料膜。通過(guò)控制粒徑和形狀，可以在不進(jìn)行任何熱處理的情況下構(gòu)建致密且厚的陶瓷膜。通過(guò)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(duì)側(cè)，形成測(cè)試電池單元。

在50℃和100℃下測(cè)量測(cè)試電池的性質(zhì)。在較低溫度下，測(cè)量電池容量為100毫安小時(shí)/克(mAh / gm)。然而，在100°C時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dāng)氣溶膠沉積在固體電解質(zhì)基底上時(shí)，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(zhǔn)備好迎接黃金時(shí)段，但材料研究人員正在尋找解決它們所帶來(lái)問(wèn)題的方法。這項(xiàng)工作以及世界各地研究團(tuán)隊(duì)的不斷努力，使固態(tài)電解質(zhì)的前景更加貼近現(xiàn)實(shí)。