脉冲激光沉积技术以更少的热量制造更薄的锂电解质

锂电池通常使用混合有液体和聚合物的电解液，暴露在空气中可能会引起火灾。固态电池受到业界的高度重视，因为它们使用更安全的固体材料，而不是锂电池中常用的液态聚合物电解质。据外媒报道，美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一种新型脉冲激光沉积技术，以更少的热量生产更薄的锂电解质，有望构建出充电速度更快、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阳极空间更大，降低加工温度。

这种固态电池电解液加工新技术的关键在于活性电解液中氮化锂(Li3N)层和锂石榴石层(Li25Al0.25La3Zr2O12或LLZO)的交替出现。首先，在300左右的脉冲激光沉积过程中，这些层像饼干一样堆叠。然后，将其加热至660，然后缓慢冷却。这个过程叫做退火。在退火过程中，几乎所有的氮原子都燃烧成气体，原始氮化物层中的锂原子熔合到含锂石榴石中，形成单一的富锂陶瓷膜。石榴石薄膜中额外的锂含量保持了材料的立方结构，使得带正电的锂离子在电解液中快速移动。

用其他方法生产富锂陶瓷材料，如烧结法加热，也可以产生致密的微观结构，保持较高的锂浓度，但需要较高的热量，导致材料体积过大。相比之下，这项由麻省理工学院副教授珍妮弗鲁普开创的新技术，她的学生可以制作330纳米厚的薄膜。詹妮弗鲁普说：“我们在电池中加入了更安全的材料，新的陶瓷材料将电解液占据的空间减少了100倍。一般来说，用薄膜电解质代替厚陶瓷材料可以使电池具有更大的电极空间，提高活性存储容量。固态电池不需要太多电解质。”

新的多层沉积技术产生了一种叫做含锂石榴石(LLZO)的材料，其离子电导率是迄今为止锂基电解质化合物中最快的，约为9 x 10-5 S cm-1。在退火过程中，薄膜的晶体结构从无序或无定形发展到完全结晶和高导电相。这样，研究人员可以了解和观察晶体相，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。很难降低制造成本并使其与现有电解质锂离子电池的成本相等。主要原因之一是陶瓷固体电解质需要高温处理。通常，只有在高温环境下，才能实现充分的固体扩散，以混合陶瓷电解质的组成原子。本研究提出的新方法，通过在纳米结构中插入锂层，将石榴石基固态电池的加工温度降低了数百度至一半以上，有效克服了这一障碍。

在验证了含锂石榴石电极的高导电性和新技术后，研究人员将在实际电池中测试该材料，并讨论该材料如何与电池正极反应及其稳定性。麻省理工学院和苏黎世联邦理工学院(ETH)联合申请了两项加工多层含锂石榴石/氮化锂的专利。新的加工方法可以精确控制材料中的锂浓度，也可以应用于其他氧化锂薄膜，如电池电极应用中的钛酸锂和钴酸锂。

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