冷燒結可能打開改善固態電池生產的大門

　　“現在有很多人和公司正在研究大規模生產固態電池的不同方法。毫不夸張地說，它是目前科學界最熱門的話題之一。”—Grady，賓夕法尼亞州立大學材料科學博士生。

　　與傳統電池相比，固態電池具有更高的能量并且更安全。賓夕法尼亞州立大學的研究人員提出了一種改進的固態電池生產方法，該方法能夠實現多種材料集成以獲得更好的電池——冷燒結。

　　“傳統電池具有液體電解質，使離子能夠在電池的陰極和陽極之間移動。而固態電池具有由固體材料制成的特定薄電解質。”

　　“從安全角度來看，固態電池有很多優勢，因為它們不會著火，因為它們具有更強的粘合性，因此更加穩定。”材料科學和鉛博士生Grady說，“由于這種更強的結合力，它們的機械強度也更高。這可以防止引起火災。相對于我們現在已經達到能量極限的電池，它們的性能提高了一個數量級。但制造固態電池也存在很多問題。”

　　固態電池從實驗室躍升到市場的很大問題是其工藝技術的不足。當前的電池電極是活性材料、碳和液體電解質的混合物。沒有液體電解質，離子就不會在電極中四處移動。為離子提供移動路徑的最佳方法是引入固體電解質，這需要燒結，而傳統的燒結對碳和活性材料來說太熱，導致材料的降解。而冷燒結能夠在非常低的溫度下引入固體電解質。

　　“在液體電池中，你可以取兩個電極，然后加入電解質，只要有東西將兩者分開，通常是聚合物，你就有一個電池。”Grady說，“但制造固態電池需要生產一種材料，例如用于固態電解質的一層非常薄的致密導電陶瓷玻璃，這很難大規模生產。”

　　解決這個問題是當前科學和工業界深感興趣的主題。這是因為對電動汽車未來潛力的看好及其對氣候保護主義的推崇。固態電池還有其他潛在的應用，例如更耐用的筆記本電腦電池。

　　“現在有很多人和公司正在研究大規模生產固態電池的不同方法。”Grady說，“毫不夸張地說，它是目前科學界最熱門的話題之一”

　　據研究人員稱，冷燒結可能會提供解決方案。冷燒結是一種革命性的工藝，它可以在比傳統方法低得多的溫度下燒結陶瓷。它是由材料研究所所長、材料科學與工程杰出教授、該研究的合著者Clive Randall領導的研究團隊在賓夕法尼亞州立大學開發的。

　　“我們在冷燒結中所做的是將陶瓷固體電解質的燒結溫度從通常的1200攝氏度降低到400攝氏度以下。”Grady說，“當你這樣做時，你可以將你的固體電解質與電池中的其他所有東西整合在一起，比如你的活性材料和電極，并將界面冷燒結在一起。它解決了所有不同的制造挑戰。它為不同固態電池材料之間的加工打開了一扇窗，這是任何其他陶瓷加工方法都無法做到的。”

　　“因此，冷燒結確實表明可以用陶瓷制造固態電池。”——Grady說。

　　固態電池電解質由陶瓷、聚合物、聚合物復合材料或柔軟的非結晶材料制成。就離子導體和固態電解質而言，陶瓷被認為是最好的材料類型之一。

　　“因此，在研究領域，知道哪種材料最適合用于固體電解質和知道可以使用哪種材料，尤為重要。并且由于陶瓷燒結工藝的限制，沒有人能夠真正解決這個問題。”Grady說，“因此，冷燒結表明用陶瓷制造固態電池是可行的。”

　　在之前的一項研究中，研究小組展示了如何在低于300華氏度（150攝氏度）的溫度下使用冷燒結來制造多層固態鋰離子電池。他們依靠導電鹽來獲得合適的電化學性能，這削弱了固態電池的一些導電和安全優勢。然后，該團隊證明了一種由磷酸硅酸鋯鈉組成的固體電解質，通常通俗地稱為NASICON固體電解質，可以通過更換液體，在稍高的溫度——707華氏度（375攝氏度）下進行冷燒結。

　　對于目前的這項研究，該團隊展示了一種制造固態電池混合導電電極的新方法。該團隊采用了一種NASICON陰極陶瓷粉末，該粉末被致密化為陶瓷復合顆粒，并使用瞬態溶劑幫助其致密化，并使用雕刻機對粉末施加必要的壓力。施加壓力并在707華氏度（375攝氏度）下加熱三個小時。

　　研究團隊的下一步工作包括微調固態電池的冷燒結工藝。

　　“我們認為有可能真正探索冷燒結電解質的成分，并研究陶瓷混合導電與成分之間的關系，從而優化最多的活性材料。”Grady說，“另一方面，我們也在探索分層結構，這樣我們就可以混合所有東西，包括陰極中的固體電解質。”

　　然后，研究人員將探索一些其他問題并努力解決這些問題。

　　“然后我們將提出一些問題，例如如何將陰極和電解質相互重疊，以免在該界面處出現離子瓶頸。”Grady說，“你能制造出多薄的電解質？這些是邁向真正實用的固態電池的重要步驟。”

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