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。