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Adv. Mater.:薄似蝉翼的陶瓷固体电解质膜
X-MOL / 时间:2020-01-13 22:49:34

X-MOL1月12日讯:中国是世界上烧制和使用陶瓷最早的国家。薄胎瓷是中国景德镇传统艺术名瓷之一,在公元1573年其工艺即可实现薄似蝉翼,亮如玻璃,轻如浮毛,是历代瓷匠追求的最高制瓷境界,其制作难度最大、成品率最低、档次最高,有着巨大的观赏价值,现如今已价值千金。在固态电池中,陶瓷固体电解质膜用于全固态电池组装时,其厚度越薄则锂电池的能量密度越高,因此,如何有效降低陶瓷电解质厚度是实现固态电池高能量密度的关键。近日,华南理工大学的王海辉教授和王素清研究员团队通过流延成型的工艺将氧化物陶瓷固体电解质膜的厚度降到了25微米,并成功将这种自支撑的电解质膜应用在全固态锂金属电池。

近年来,移动电子设备和电动汽车发展迅猛,其所使用的能源存储设备-锂离子电池,也随之成为科学研究的焦点。高比能量和高安全性的锂离子电池已成为迫切的需求。目前,使用高比容量的锂金属负极材料和氧化物陶瓷固体电解质的全固态锂电池是被广泛认为能满足需求的下一代电池。陶瓷电解质可耐受1000 ºC以上的高温,因此,使用陶瓷电解质的电池可有效避免起火爆炸风险。值得注意的是,目前报道的全固态锂电池所使用的氧化物陶瓷固体电解质的密度(2.93~5.1 g cm-3)远高于传统的液态电解液(~1.1 g cm-3)和聚合物隔膜(~0.9 g cm-3),且制备方法多为冷压烧结,厚度普遍大于200微米,这将严重抵消高比容量的锂金属负极所带来的能量密度优势。

华南理工大学团队研发的厚度仅为25微米的陶瓷电解质膜能很好地弥补上述缺憾。该技术的难点主要在于陶瓷坯膜的成型和烧结过程控制。他们通过厚度可调节的刮刀将包含陶瓷颗粒的浆料流延在聚酯薄膜基板上,待溶剂挥发后即可被剥离得到具有良好柔性的坯膜。坯膜经1260 ℃烧结后陶瓷晶粒与晶粒之间融合紧密可得致密且强度较高的陶瓷膜。这种陶瓷电解质膜在应用于锂离子电池中可兼具传统锂离子电池电解液和隔膜的功能,既为正负极之间传输锂离子又能阻隔正负极之间的短路。值得注意的是,薄的陶瓷膜是易碎的。陶瓷膜的机械强度是决定其厚度极限的关键因素。这种由钙钛矿型Li3xLa2/3-xTiO3材料构成的电解质膜具有264MPa的高弯曲强度,远高于同类的Li7La3Zr2O12(139MPa)和Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(18MPa)氧化物材料所制备得到的陶瓷膜。更高弯曲强度的优势在于陶瓷膜能承受更高的弯曲载荷而不断裂。

图1. Li3xLa2/3-xTiO3电解质膜的光学照片和扫描电镜照片

受益于其至薄的厚度,在流延成型的陶瓷电解质膜中锂离子从一侧到另一侧仅需穿过数个较大晶粒,传输距离短,有利于发挥Li3xLa2/3-xTiO3电解质体相锂离子电导率高的优势,而削弱其晶界离子电导率较低的劣势。因此,流延得到的电解质膜的离子电导率与压片烧结的电解质片相比有明显提高。提高的离子电导率和降低的厚度能最小化电解质的电阻。这种陶瓷电解质膜在全固态金属锂电池中的锂电沉积/去沉积循环稳定性已表现良好。

图2. Li3xLa2/3-xTiO3电解质膜的弯曲强度测试对比

这一成果近期发表在Advanced Materials上,文章的第一作者是华南理工大学博士研究生蒋周阳。