马里兰大学胡良兵团队：10秒内快速制备高性能固态电解质

马里兰大学胡良兵团队：10秒内快速制备高性能固态电解质

2021年，马里兰大学胡良兵教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表了一篇重要论文，题为“High-Temperature Ultrafast Sintering: Exploiting a New Kinetic Region to Fabricate Porous Solid-State Electrolyte Scaffolds”。研究团队开发了一种创新的快速焦耳热烧结技术，能够在几秒钟内将材料加热至高温，从而快速制备出3D多孔陶瓷固态电解质（SSE）骨架。

研究背景

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。然而，现有固态电解质材料在机械强度、热稳定性、离子导电性和加工性方面仍存在局限。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。

研究方法

1. 材料准备：首先准备固态电解质（SSE）的粉末前驱体，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。

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。

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. 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。

5. 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。

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。

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。

展望

1. 进一步优化烧结参数：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。

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。

3. 复合材料的深入研究：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。

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。

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。

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。

8. 安全性与可靠性分析：进行全面的安全性评估。

图1. 3D多孔SSE骨架的示意图

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