近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉巍教授課題組和于奕教授課題組合作，在《科學(xué)·進展》（Science Advances）上發(fā)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(yīng)燒結(jié)法成功制備了多種具有織構(gòu)特征的塊體鋰陶瓷（包括電解質(zhì)與電極材料），通過調(diào)控晶粒形貌與晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建了更為高效的鋰離子傳輸路徑，極大提升了電解質(zhì)以及電極材料的離子傳輸性能，推動了全固態(tài)鋰電池向更高能量密度、更長使用壽命和更安全的方向發(fā)展。傳統(tǒng)陶瓷電解質(zhì)和電極材料的內(nèi)部一般由大量的等軸晶緊密結(jié)合組成，這些晶粒在排列以及晶體學(xué)取向上均呈現(xiàn)無規(guī)則的隨機分布。因此，離子在這些材料內(nèi)部的傳輸可分為晶粒內(nèi)部傳輸和晶粒間傳輸兩個過程。然而，晶界處成分與結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，導(dǎo)致離子穿越晶界平面的阻抗遠大于晶粒內(nèi)部，這嚴重限制了離子的快速傳輸，制約著陶瓷基全固態(tài)電池的發(fā)展。圖1：氣固反應(yīng)燒結(jié)法制備織構(gòu)鋰陶瓷及其內(nèi)部離子傳輸示意圖。
為解決這一問題，團隊開創(chuàng)性地提出利用氣固反應(yīng)燒結(jié)法制備得到了具有織構(gòu)特征（織構(gòu)：多晶體中晶粒的排列或晶體學(xué)取向在某些方向上呈現(xiàn)規(guī)則性排列）的陶瓷電解質(zhì)（Li7La3Zr2O12，LLZO）以及電極材料（（Li2MnO3, LMO和LiCoO2, LCO）。所有材料內(nèi)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(gòu)的晶體學(xué)取向特征。
得益于晶粒形貌以及晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，鋰離子在電解質(zhì)和電極中的傳輸只需通過單個晶粒或沿連續(xù)的晶界進行，避免了垂直穿越晶界的過程。因此，陶瓷電解質(zhì)的離子電導(dǎo)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(shù)量級。相關(guān)實驗結(jié)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(gòu)陶瓷電解質(zhì)及電極中的離子傳輸路徑示意圖 團隊結(jié)合實驗分析與理論研究，提出氣固反應(yīng)燒結(jié)法中柱狀晶的形成是由于陶瓷素坯表面到內(nèi)部的氣體濃度梯度，而電極材料中存在的晶體學(xué)取向則歸因于吸附能的差異。氣固反應(yīng)燒結(jié)法的提出與機理解釋，不僅為制備織構(gòu)陶瓷材料提供了一種新方案，也為提升陶瓷材料電化學(xué)性能提供了一種可靠途徑。
????上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)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(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分析測試中心余娜和創(chuàng)意與藝術(shù)學(xué)院張振波教授的幫助，上海科技大學(xué)為唯一完成單位。論文標(biāo)題：
Textured Lithium Ceramics Prepared by Gas-Solid Reactive Sintering
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論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu4531
原文始發(fā)于微信公眾號（上科大物質(zhì)學(xué)院）：科研進展|上科大物質(zhì)學(xué)院劉巍課題組開發(fā)氣固反應(yīng)燒結(jié)法成功制備織構(gòu)導(dǎo)鋰陶瓷
