賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)冷燒結(jié)固態(tài)電解質(zhì),突破電池安全與性能瓶頸

2025-04-28 11:54  瀏覽:  

鋰離子電池作為消費(fèi)電子與電動汽車的核心能源載體,長期受限于液體電解質(zhì)易燃、穩(wěn)定性差等安全隱患。針對這一技術(shù)痛點,賓夕法尼亞州立大學(xué)工業(yè)與制造工程助理教授孫洪濤團(tuán)隊研發(fā)出基于冷燒結(jié)技術(shù)的高導(dǎo)電性固態(tài)電解質(zhì)(SSE),為下一代電池技術(shù)提供可行方案。

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(zhì)實現(xiàn)正負(fù)極間離子傳導(dǎo),但其易燃特性導(dǎo)致設(shè)備存在火災(zāi)風(fēng)險。孫洪濤教授指出,固態(tài)電池通過以SSE替代液體電解質(zhì),在保留“陽極-電解質(zhì)-陰極”三明治結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(guān)鍵技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)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(jié)構(gòu),導(dǎo)致材料致密化不足與導(dǎo)電性能下降。

冷燒結(jié)技術(shù)破解高導(dǎo)電性復(fù)合SSE制備難題

研究團(tuán)隊采用“冷燒結(jié)”工藝制備LATP-PILG(聚離子液體凝膠)復(fù)合SSE。該技術(shù)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(jié)溫度降低80%以上。

研究顯示,將PILG與LATP陶瓷共燒結(jié)后形成的復(fù)合結(jié)構(gòu),可有效解決陶瓷材料晶界阻抗問題。PILG在SSE中充當(dāng)“人工晶界”,將離子傳導(dǎo)路徑從易受缺陷影響的自然晶界轉(zhuǎn)移至高導(dǎo)電性聚合物通道,使復(fù)合SSE的室溫離子電導(dǎo)率顯著提升。

冷燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)材料與工藝雙重突破

相比傳統(tǒng)液體電解質(zhì)0-4伏的電壓窗口,LATP-PILG復(fù)合SSE的電壓窗口擴(kuò)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(tuán)隊在《材料今日能源》期刊發(fā)表的研究表明,該復(fù)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(dá)92%。

該技術(shù)突破不僅限于電池領(lǐng)域。孫洪濤指出,冷燒結(jié)工藝的低溫特性使其可兼容多種材料體系,為陶瓷復(fù)合材料在半導(dǎo)體制造、柔性電子等領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用提供可能。研究團(tuán)隊正聯(lián)合賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生Ta-Wei Wang、Seok Woo Lee等成員,開發(fā)基于冷燒結(jié)的可回收制造系統(tǒng),目標(biāo)將材料利用率提升至95%以上。

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