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實現(xiàn)正負極間離子傳導，但其易燃特性導致設備存在火災風險。孫洪濤教授指出，固態(tài)電池通過以SSE替代液體電解質，在保留“陽極-電解質-陰極”三明治結構的基礎上，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的制備面臨關鍵技術瓶頸。傳統(tǒng)高溫燒結工藝在加工LATP(磷酸鈦鋁鋰)等陶瓷材料時，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構，導致材料致密化不足與導電性能下降。
冷燒結技術破解高導電性復合SSE制備難題
研究團隊采用“冷燒結”工藝制備LATP-PILG(聚離子液體凝膠)復合SSE。該技術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攝氏度低溫下實現(xiàn)材料致密化，較傳統(tǒng)燒結溫度降低80%以上。
研究顯示，將PILG與LATP陶瓷共燒結后形成的復合結構，可有效解決陶瓷材料晶界阻抗問題。PILG在SSE中充當“人工晶界”，將離子傳導路徑從易受缺陷影響的自然晶界轉移至高導電性聚合物通道，使復合SSE的室溫離子電導率顯著提升。
冷燒結技術實現(xiàn)材料與工藝雙重突破
相比傳統(tǒng)液體電解質0-4伏的電壓窗口，LATP-PILG復合SSE的電壓窗口擴展至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。孫洪濤團隊在《材料今日能源》期刊發(fā)表的研究表明，該復合SSE在保持熱穩(wěn)定性(分解溫度>300℃)的同時，循環(huán)100次后容量保持率仍達92%。
該技術突破不僅限于電池領域。孫洪濤指出，冷燒結工藝的低溫特性使其可兼容多種材料體系，為陶瓷復合材料在半導體制造、柔性電子等領域的工業(yè)化應用提供可能。研究團隊正聯(lián)合賓夕法尼亞州立大學博士生Ta-Wei Wang、Seok Woo Lee等成員，開發(fā)基于冷燒結的可回收制造系統(tǒng)，目標將材料利用率提升至95%以上。
