【儀表網 研發快訊】近日，上海科技大學物質科學與技術學院劉巍教授課題組和于奕教授課題組合作，在《科學·進展》(Science Advances)上發表了題為“Textured Lithium Ceramics Prepared by Gas-Solid Reactive Sintering”的研究論文。該研究利用氣固反應燒結法成功制備了多種具有織構特征的塊體鋰陶瓷(包括電解質與電極材料)，通過調控晶粒形貌與晶體結構構建了更為高效的鋰離子傳輸路徑，極大提升了電解質以及電極材料的離子傳輸性能，推動了全固態鋰電池向更高能量密度、更長使用壽命和更安全的方向發展。
傳統陶瓷電解質和電極材料的內部一般由大量的等軸晶緊密結合組成，這些晶粒在排列以及晶體學取向上均呈現無規則的隨機分布。因此，離子在這些材料內部的傳輸可分為晶粒內部傳輸和晶粒間傳輸兩個過程。然而，晶界處成分與結構極為復雜，導致離子穿越晶界平面的阻抗遠大于晶粒內部，這嚴重限制了離子的快速傳輸，制約著陶瓷基全固態電池的發展。
圖1：氣固反應燒結法制備織構鋰陶瓷及其內部離子傳輸示意圖。
為解決這一問題，團隊開創性地提出利用氣固反應燒結法制備得到了具有織構特征(織構：多晶體中晶粒的排列或晶體學取向在某些方向上呈現規則性排列)的陶瓷電解質(Li7La3Zr2O12，LLZO)以及電極材料(Li2MnO3, LMO和LiCoO2, LCO)。所有材料內部均由垂直于表面的大尺寸柱狀晶組成，其中單個LLZO晶粒直徑超20 μm，長度可達100 μm以上。除此之外，兩種電極材料還具有面外織構的晶體學取向特征。
圖2：柱狀晶織構陶瓷電解質
得益于晶粒形貌以及晶體結構的優化，鋰離子在電解質和電極中的傳輸只需通過單個晶粒或沿連續的晶界進行，避免了垂直穿越晶界的過程。因此，陶瓷電解質的離子電導率提升了40倍以上，電極材料的離子傳輸性能也提升了一個數量級。相關實驗結果還通過蒙特卡洛模擬以及有限元分析得到了理論支撐與驗證。
圖3：織構陶瓷電解質及電極中的離子傳輸路徑示意圖
團隊結合實驗分析與理論研究，提出氣固反應燒結法中柱狀晶的形成是由于陶瓷素坯表面到內部的氣體濃度梯度，而電極材料中存在的晶體學取向則歸因于吸附能的差異。氣固反應燒結法的提出與機理解釋，不僅為制備織構陶瓷材料提供了一種新方案，也為提升陶瓷材料電化學性能提供了一種可靠途徑。
上海科技大學物質學院2022級博士研究生張鑫水和2024級博士研究生楊藝航為論文的共同第一作者，劉巍教授和于奕教授為共同通訊作者。該工作得到了物質科學與技術學院分析測試中心余娜和創意與藝術學院張振波教授的幫助，上海科技大學為唯一完成單位。
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