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无需高温烧结,新型陶瓷电解质助力固态电池发展
凌晨十二点
春风吹又生的韭菜种子
2024-03-27 09:26:18

 在电动汽车和可再生能源存储领域,我们一直在寻找更强大、更具成本效益的可充电锂离子电池。最近,一个由美国剑桥麻省理工学院和德国慕尼黑工业大学的研究团队领导的项目,可能为我们提供了一个解决方案。他们开发出一种新的生产方法,可以在无需高温烧结的情况下,高效、低温地合成用于固态电池的导电陶瓷电解质。

固态电池是制造更小、更轻、更强大且更安全的电池的一种非常有前途的方法。与传统的锂离子电池不同,固态电池的所有组件都是固体,包括薄陶瓷层,它同时充当固体电解质和隔膜。这种设计对于防止锂枝晶生长和热失控引起的危险短路非常有效,同时还不含易燃液体。

 时间-温度-转变 (TTT) 图的建立捕获了基于结晶焓分析的非晶态到晶态 LLZO 的转变,并证实了立方相 LLZO 在 500 °C 的创纪录低温下的稳定性。

然而,目前适用于高能量密度电池的陶瓷电解质/隔膜——石榴石型氧化锂Li 7 La 3 Zr 2 O 12−d (LLZO),必须与阴极在超过 1050°C 的温度下烧结在一起。这种高温处理不仅会破坏可持续的低钴或无钴正极材料的稳定性,还会增加生产成本和能源消耗。因此,研究人员一直在寻找更经济、更可持续的新生产方法。

Jennifer LM Rupp领导的团队现在已经开发出了这样一种新的合成工艺。他们的新工艺不是基于陶瓷前体化合物,而是基于液体前体化合物,在连续分解合成中直接致密化形成LLZO。为了优化该合成路线的条件,Rupp和她的团队使用多种方法(拉曼光谱、动态差示扫描量热法)分析了LLZO从无定形形式到所需结晶形式 (cLLZO) 的多步相变,并得出了时间-温度变换图。

 (a)在三种不同加工路线下实现立方相LLZO的退火和烧结步骤,包括用于块状颗粒和带加工的常规合成+烧结和快速热处理,以及用于薄膜加工的沉积+相形成。(b) 最先进的最高处理温度与处理时间的示意图。降低加工温度或时间是提高阴极-电解质界面共加工性和减少界面反应的可行且优选的途径。固态电池的能量和功率密度可以通过减少固体电解质的厚度(从陶瓷颗粒或带状材料转变为薄膜)来提高。

基于他们对结晶过程的深入了解,他们开发了一种路线,在500°C的相对低温下退火10小时后,无需烧结,即可获得致密的固体薄膜cLLZO。这种方法将允许将固体LLZO电解质与可持续阴极集成,从而避免使用钴等社会经济关键元素。

这项研究的结果对于推动电动汽车电池的发展具有重要意义。功率和成本是主导电动汽车电池发展的两个因素:功率决定了车辆的续航里程;而成本在与内燃机的竞争中至关重要。这项新的生产方法可能会使固态电池的生产更加经济、更加可持续,从而推动电动汽车电池技术的发展。


 

在固态电池的构成中,陶瓷材料扮演着至关重要的角色。陶瓷电解质因其良好的热稳定性和化学稳定性,被认为是固态电池电解质的理想选择之一。特别是在大型锂陶瓷电池(LLCB)的生产中,陶瓷材料的使用对于提升电池的整体性能至关重要。

华瓷股份,作为一家专注于陶瓷材料生产的企业,已经开始在固态电池领域进行布局。华瓷股份旗下的广东山摩公司主要产品包括锂(钠)电池正极材料烧结用的匣钵、耐火板、窑炉用空心球砖等。这些产品主要位于锂(钠)电池产业链的中上游,而最终的锂(钠)电池应用于新能源汽车、储能、3C等领域。

 

 

 

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华瓷股份
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科森科技
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