脈沖激光沉積技術(shù)以更少的熱量制造更薄的鋰電解質(zhì)

鋰電池通常使用由液體和聚合物混合而成的電解液，暴露于空氣中時(shí)，可能引發(fā)火災(zāi)。固態(tài)電池由于采納更加安全的固體材料代替了鋰電池中常用的液體聚合物電解液，為業(yè)界所推崇。據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開辟新的脈沖激光沉積技術(shù)，以更少的熱量創(chuàng)造更薄的鋰電解質(zhì)，有望打造充電速度更快、電壓更高的固態(tài)鋰離子電池。這種方法可以使未來固態(tài)電池的正極空間更大，并降低加工溫度。

這一固態(tài)電池電解質(zhì)加工新技術(shù)的關(guān)鍵在于，活性電解質(zhì)含鋰石榴石組分層(Li6.25Al0.25La3Zr2O12或LLZO)與氮化鋰(Li3N)層交替浮現(xiàn)。首先，在大約300℃的脈沖激光沉積過程中，把這些層體像餅干一樣疊加起來。然后，加熱到660℃，再緩慢冷卻，這一過程稱為退火。在退火過程中，幾乎所有的氮原子都被燒成氣體，原始氮化物層中的鋰原子融合到含鋰石榴石中，形成單一富鋰陶瓷薄膜。石榴石薄膜中額外的鋰含量，使材料保留立方結(jié)構(gòu)，使正電荷鋰離子在電解質(zhì)中快速移動(dòng)。

使用其他方法生產(chǎn)富鋰陶瓷材料，比如用燒結(jié)工藝加熱，也可以產(chǎn)生致密的微觀結(jié)構(gòu)，保持較高的鋰濃度，但是需要更高的熱量，這導(dǎo)致材料體積過大。相比之下，MIT副教授Jennifer Rupp和她的學(xué)生開創(chuàng)的新技術(shù)，可以創(chuàng)造出大約330納米厚的薄膜。Jennifer Rupp表示：“我們在電池中加入更安全的材料，新的陶瓷材料使電解質(zhì)所占的空間減少100倍。一般來說，采納薄膜結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)，而不是厚陶瓷材料，可以使電池具有更大的電極空間，提升活性存儲(chǔ)容量。固態(tài)電池不需要很大的電解質(zhì)。”

全新多層沉積技術(shù)產(chǎn)生名為含鋰石榴石(LLZO)的材料，該材料的離子電導(dǎo)率是迄今為止鋰基電解質(zhì)化合物中最快的，約為2.9 x 10-5 S cm-1。在退火過程中，薄膜中的晶體結(jié)構(gòu)從無序或非晶態(tài)向全晶態(tài)、高導(dǎo)電相進(jìn)展。通過這種方法，研究人員就能理解和觀察晶體相，從而提高離子電導(dǎo)率。

生產(chǎn)固態(tài)電池的挑戰(zhàn)之一，是創(chuàng)造這種材料。要想降低創(chuàng)造成本、并與現(xiàn)有電解液鋰離子電池的成本持平，是困難的。其中一個(gè)主要原因是需要高溫處理陶瓷固體電解質(zhì)。通常情況下，惟獨(dú)在高溫環(huán)境下，才干實(shí)現(xiàn)足夠的固態(tài)擴(kuò)散，以混合陶瓷電解質(zhì)的組成原子。本次研究提出的新方法，通過在納米結(jié)構(gòu)中插入鋰層，將基于石榴石的固態(tài)電池的加工溫度降低數(shù)百度，達(dá)到一半以上，有效克服這一障礙。

研究人員在驗(yàn)證含鋰石榴石電極的高導(dǎo)電性及新工藝之后，下一步將測試實(shí)際電池中的材料，探討這種材料如何與電池正極發(fā)生反應(yīng)，以及它的穩(wěn)定性。麻省理工學(xué)院和蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)(ETH)聯(lián)合申請兩項(xiàng)多層含鋰石榴石/氮化鋰加工專利。新加工方法可以精確操縱材料中的鋰濃度，也可應(yīng)用于其他鋰氧化物薄膜中，如電池電極應(yīng)用中的鈦酸鋰和鈷酸鋰。