清華新聞網(wǎng)8月16日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授課題組報(bào)道了一種基于大氣等離子噴涂（APS）的鋰離子固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12（LLZO）薄膜制備方法，制備了面積、厚度可控的LLZO薄膜。通過(guò)退火等后處理，最終得到的LLZO薄膜兼具較好的電化學(xué)與力學(xué)性能。研究團(tuán)隊(duì)提出的APS制備方法成本低且效率高，對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)薄膜的生產(chǎn)具有可擴(kuò)展性。這一發(fā)現(xiàn)為全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路。
隨著儲(chǔ)能設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展進(jìn)一步加速，對(duì)鋰離子電池的能量密度和安全性的要求日益增長(zhǎng)。全固態(tài)電池（ASSBs）作為一種安全可靠的高性能儲(chǔ)能電池，正迅速走向商業(yè)化。然而，ASSBs的進(jìn)一步發(fā)展仍需克服較多困難。其中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一是缺乏高效率、大規(guī)模的固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)鋰離子電池中聚合物隔膜厚度大致相同的高質(zhì)量固態(tài)電解質(zhì)薄膜的批量生產(chǎn)。
為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)將APS引入固態(tài)電解質(zhì)制備中，通過(guò)氬氣將LLZO顆粒運(yùn)送至大氣等離子噴涂機(jī)的噴槍中，LLZO顆粒在等離子焰流的高溫下熔化并形成高速運(yùn)動(dòng)的熔滴，擊打到基板上，形成均勻的LLZO薄膜（如圖1）。
圖1.等離子噴涂設(shè)備及噴涂得到的LLZO薄膜
課題組成員發(fā)現(xiàn)，從形貌上來(lái)看，LLZO薄膜的表面和截面均勻且無(wú)明顯裂紋。通過(guò)控制等離子噴涂噴槍在基板上掃描的時(shí)間和送粉速度，可以得到不同厚度的LLZO薄膜。通過(guò)退火的后處理，LLZO薄膜的截面致密度明顯提高。在退火過(guò)程中由于使用氧化鋁坩堝，在晶界處形成以L(fǎng)iAlO2為主的Li2O-Al2O3的共晶相，加速了LLZO薄膜致密化的同時(shí)，也減少了在高溫退火下的鋰損失（如圖2）。
圖2.等離子噴涂制備的LLZO薄膜的物理性能表征
進(jìn)一步研究表明，經(jīng)過(guò)APS得到的LLZO薄膜在室溫下的鋰離子電導(dǎo)率為3.82×10-5S cm-1，激活能為0.38eV。其電子電導(dǎo)率約為2.80×10-9S cm-1，相較于其離子電導(dǎo)率可以忽略，杜絕了自放電的現(xiàn)象和鋰枝晶生長(zhǎng)帶來(lái)的安全隱患。采用這種LLZO薄膜制備的Li/LLZO/Li對(duì)稱(chēng)電池和Li/LLZO/LiFePO4全電池實(shí)現(xiàn)了不同電流密度下和不同倍率下的穩(wěn)定循環(huán)。
研究成果以“大氣等離子噴涂快速制備均勻、厚度薄、可靠且大面積的石榴石型固態(tài)電解質(zhì)薄膜”（Rapid Processing of Uniform, Thin, Robust, and Large-Area Garnet Solid Electrolyte by Atmospheric Plasma Spraying）為題發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)碩士生吳宇龍、清華大學(xué)2019級(jí)直博生王匡宇為論文的共同第一作者。清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授為論文的通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“材料的關(guān)聯(lián)重構(gòu)與高效能”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202300809
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
