MIT利用脈沖激光沉積技術打造出更薄的鋰電解質

鋰離子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，可能引發火災。固態電池由于采用更加安全的固體材料代替了鋰離子電池中常用的液體聚合物電解液，為業界所推崇。據外媒報道，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發新的脈沖激光沉積技術，以更少的熱量制造更薄的鋰電解質，有望打造充電速度更快、電壓更高的固態鋰電池。這種辦法可以使將來固態電池的正極空間更大，并降低出產溫度。

這一固態電池電解質出產新技術的關鍵在于，活性電解質含鋰石榴石組分層（Li6.25Al0.25La3Zr2O12或LLZO）與氮化鋰（Li3N）層交替出現。首先，在約莫300℃的脈沖激光沉積過程中，把這些層體像餅干一樣重疊起來。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，使材料保留立方結構，使正電荷鋰離子在電解質中快速移動。

使用其他辦法加工富鋰陶瓷材料，比如用燒結工藝加熱，也可以萌生致密的微觀結構，保持較高的鋰濃度，但是需要更高的熱量，這導致材料體積過大。相比之下，MIT副教授JenniferRupp和她的學生開創的新技術，可以制造出約莫330納米厚的薄膜。JenniferRupp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所占的空間減少100倍。一般來說，采用薄膜結構的電解質，而不是厚陶瓷材料，可以使電池具有更大的電極空間，提升活性存儲容量。固態電池不需要很大的電解質。”

全新多層沉積技術萌生名為含鋰石榴石（LLZO）的材料，該材料的離子電導率是迄今為止鋰基電解質化合物中最快的，約為2.9x10-5Scm-1。在退火過程中，薄膜中的晶體結構從無序或非晶態向全晶態、高導電相發展。通過這種辦法，研究人員就能理解和觀察晶體相，從而提高離子電導率。

加工固態電池的挑戰之一，是制造這種材料。要想降低制造成本、并與現有電解液鋰電池的成本持平，是困難的。其中一個主要原由是需要高溫解決陶瓷固體電解質。通常情況下，惟有在高溫環境下，才能實現足夠的固態擴散，以混合陶瓷電解質的組成原子。本次研究提出的新辦法，通過在納米結構中插入鋰層，將基于石榴石的固態電池的出產溫度降低數百度，達到一半以上，有效克服這一障礙。

研究人員在驗證含鋰石榴石電極的高導電性及新工藝之后，下一步將探測實際電池中的材料，探討這種材料要怎么樣與電池正極發生反應，以及它的穩定性。麻省理工學院和蘇黎世聯邦理工大學（ETH）聯合申請兩項多層含鋰石榴石/氮化鋰出產專利。新出產辦法可以精確控制材料中的鋰濃度，也可使用于其他鋰氧化物薄膜中，如電池電極使用中的鈦酸鋰和鈷酸鋰。

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