冷烧结可能打开改善固态电池生产的大门

　　颗粒在线讯：“现在有很多人和公司正在研究大规模生产固态电池的不同方法。毫不夸张地说，它是目前科学界最热门的话题之一。”—Grady，宾夕法尼亚州立大学材料科学博士生。

　　与传统电池相比，固态电池具有更高的能量并且更安全。宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出了一种改进的固态电池生产方法，该方法能够实现多种材料集成以获得更好的电池——冷烧结。

　　“传统电池具有液体电解质，使离子能够在电池的阴极和阳极之间移动。而固态电池具有由固体材料制成的特定薄电解质。”

　　“从安全角度来看，固态电池有很多优势，因为它们不会着火，因为它们具有更强的粘合性，因此更加稳定。”材料科学和铅博士生Grady说，“由于这种更强的结合力，它们的机械强度也更高。这可以防止引起火灾。相对于我们现在已经达到能量极限的电池，它们的性能提高了一个数量级。但制造固态电池也存在很多问题。”

　　固态电池从实验室跃升到市场的很大问题是其工艺技术的不足。当前的电池电极是活性材料、碳和液体电解质的混合物。没有液体电解质，离子就不会在电极中四处移动。为离子提供移动路径的最佳方法是引入固体电解质，这需要烧结，而传统的烧结对碳和活性材料来说太热，导致材料的降解。而冷烧结能够在非常低的温度下引入固体电解质。

　　“在液体电池中，你可以取两个电极，然后加入电解质，只要有东西将两者分开，通常是聚合物，你就有一个电池。”Grady说，“但制造固态电池需要生产一种材料，例如用于固态电解质的一层非常薄的致密导电陶瓷玻璃，这很难大规模生产。”

　　解决这个问题是当前科学和工业界深感兴趣的主题。这是因为对电动汽车未来潜力的看好及其对气候保护主义的推崇。固态电池还有其他潜在的应用，例如更耐用的笔记本电脑电池。

　　“现在有很多人和公司正在研究大规模生产固态电池的不同方法。”Grady说，“毫不夸张地说，它是目前科学界最热门的话题之一”

　　据研究人员称，冷烧结可能会提供解决方案。冷烧结是一种革命性的工艺，它可以在比传统方法低得多的温度下烧结陶瓷。它是由材料研究所所长、材料科学与工程杰出教授、该研究的合著者Clive Randall领导的研究团队在宾夕法尼亚州立大学开发的。

　　“我们在冷烧结中所做的是将陶瓷固体电解质的烧结温度从通常的1200摄氏度降低到400摄氏度以下。”Grady说，“当你这样做时，你可以将你的固体电解质与电池中的其他所有东西整合在一起，比如你的活性材料和电极，并将界面冷烧结在一起。它解决了所有不同的制造挑战。它为不同固态电池材料之间的加工打开了一扇窗，这是任何其他陶瓷加工方法都无法做到的。”

　　“因此，冷烧结确实表明可以用陶瓷制造固态电池。”——Grady说。

　　固态电池电解质由陶瓷、聚合物、聚合物复合材料或柔软的非结晶材料制成。就离子导体和固态电解质而言，陶瓷被认为是最好的材料类型之一。

　　“因此，在研究领域，知道哪种材料最适合用于固体电解质和知道可以使用哪种材料，尤为重要。并且由于陶瓷烧结工艺的限制，没有人能够真正解决这个问题。”Grady说，“因此，冷烧结表明用陶瓷制造固态电池是可行的。”

　　在之前的一项研究中，研究小组展示了如何在低于300华氏度（150摄氏度）的温度下使用冷烧结来制造多层固态锂离子电池。他们依靠导电盐来获得合适的电化学性能，这削弱了固态电池的一些导电和安全优势。然后，该团队证明了一种由磷酸硅酸锆钠组成的固体电解质，通常通俗地称为NASICON固体电解质，可以通过更换液体，在稍高的温度——707华氏度（375摄氏度）下进行冷烧结。

　　对于目前的这项研究，该团队展示了一种制造固态电池混合导电电极的新方法。该团队采用了一种NASICON阴极陶瓷粉末，该粉末被致密化为陶瓷复合颗粒，并使用瞬态溶剂帮助其致密化，并使用雕刻机对粉末施加必要的压力。施加压力并在707华氏度（375摄氏度）下加热三个小时。

　　研究团队的下一步工作包括微调固态电池的冷烧结工艺。

　　“我们认为有可能真正探索冷烧结电解质的成分，并研究陶瓷混合导电与成分之间的关系，从而优化最多的活性材料。”Grady说，“另一方面，我们也在探索分层结构，这样我们就可以混合所有东西，包括阴极中的固体电解质。”

　　然后，研究人员将探索一些其他问题并努力解决这些问题。

　　“然后我们将提出一些问题，例如如何将阴极和电解质相互重叠，以免在该界面处出现离子瓶颈。”Grady说，“你能制造出多薄的电解质？这些是迈向真正实用的固态电池的重要步骤。”