傳統(tǒng)鋰離子電池的缺陷與固態(tài)電池革新

傳統(tǒng)鋰離子電池依賴液體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)正負(fù)極間離子傳導(dǎo)，但其易燃特性導(dǎo)致設(shè)備存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。孫洪濤教授指出，固態(tài)電池通過以SSE替代液體電解質(zhì)，在保留“陽極-電解質(zhì)-陰極”三明治結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從材料層面提升電池安全性。

盡管固態(tài)電池被視為鋰離子電池的主要替代方案，但陶瓷基SSE的制備面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)工藝在加工LATP(磷酸鈦鋁鋰)等陶瓷材料時(shí)，需將溫度提升至900-1000攝氏度，這一過程會破壞聚合物添加劑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料致密化不足與導(dǎo)電性能下降。

冷燒結(jié)技術(shù)破解高導(dǎo)電性復(fù)合SSE制備難題

研究團(tuán)隊(duì)采用“冷燒結(jié)”工藝制備LATP-PILG(聚離子液體凝膠)復(fù)合SSE。該技術(shù)由該校材料研究所所長克萊夫·蘭德爾于2016年首創(chuàng)，通過向粉末材料施加壓力并輔以微量液體溶劑，在150攝氏度低溫下實(shí)現(xiàn)材料致密化，較傳統(tǒng)燒結(jié)溫度降低80%以上。

研究顯示，將PILG與LATP陶瓷共燒結(jié)后形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可有效解決陶瓷材料晶界阻抗問題。PILG在SSE中充當(dāng)“人工晶界”，將離子傳導(dǎo)路徑從易受缺陷影響的自然晶界轉(zhuǎn)移至高導(dǎo)電性聚合物通道，使復(fù)合SSE的室溫離子電導(dǎo)率顯著提升。

冷燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料與工藝雙重突破

相比傳統(tǒng)液體電解質(zhì)0-4伏的電壓窗口，LATP-PILG復(fù)合SSE的電壓窗口擴(kuò)展至0-5.5伏，支持匹配高電壓正極材料，從而提升電池能量密度。孫洪濤團(tuán)隊(duì)在《材料今日能源》期刊發(fā)表的研究表明，該復(fù)合SSE在保持熱穩(wěn)定性(分解溫度>300℃)的同時(shí)，循環(huán)100次后容量保持率仍達(dá)92%。

該技術(shù)突破不僅限于電池領(lǐng)域。孫洪濤指出，冷燒結(jié)工藝的低溫特性使其可兼容多種材料體系，為陶瓷復(fù)合材料在半導(dǎo)體制造、柔性電子等領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用提供可能。研究團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生Ta-Wei Wang、Seok Woo Lee等成員，開發(fā)基于冷燒結(jié)的可回收制造系統(tǒng)，目標(biāo)將材料利用率提升至95%以上。