近日，美國喬治亞理工學院材料研究團隊發現了一種新的熔體滲透技術，在這種技術的作用下，固態汽車鋰離子電池能夠和傳統液體電解質制備的電池用同樣的生產工藝生產。

該技術采用不易燃的陶瓷電解質，能滲透到多孔、緊密堆積的熱穩定電極中。可在沒有壓力的情況下，將包括多層電極隔板堆在內的熔融固體電解質滲透到多孔體中，進而生產高密度的復合材料。

該研究成果以《電解質熔體滲透技術可擴展制造無機全固態鋰離子電池》（“Electrolyte melt infiltration for scalable manufacturing of inorganic all-solid-state lithium-ion batteries”）為題，于 3 月 8 日發表在 Nature Materials 雜志上，美國佐治亞理工學院材料科學與工程學院教授 Gleb Yushin 教授?是該論文的通訊作者。

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眾所周知，全固態鋰（Li）金屬及鋰離子電池（ASSLB）因其無機固態電解質為電動汽車和其他應用提供了更高的安全性。然而，如今的無機 ASSLB 制造技術有成本過高的缺點，過量的固態電解質及導電的添加劑會造成低體積能量密度。因此，研發一種能降低固體電池的生產成本又能提高體積能量密度的制備技術迫在眉睫。

在該項研究中，研究人員采用了使用液體電解質的低成本鋰離子電池制造工藝，不但使用低熔點固態電解質，而且在中等溫度（?300°C 或更低）下呈液態滲入致密、熱穩定的電極中，之后在冷卻過程中凝固。

該節能方法用于用 LiNi 制備無機 ASSLB，這大大減少了行業采用的障礙。因此，利用該技術制備了 LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 正極與 Li4Ti5O12 和石墨負極的無機 ASSLBs，這為 ASSLBs 早日實現商業化加速了進程。

圖丨熔體滲透示意圖

Gleb Yushin 解釋說：“雖然傳統的固態電解質的熔點范圍可以從 700 攝氏度到 1000 攝氏度以上，但我們在較低的溫度范圍內運行，具體取決于電解質的成分，大約為 200 到 300 攝氏度，它們在較低的溫度下，制造得更快、更容易。并且在低溫下，聚合物粘合劑或膠水在內的標準電極組件可以保持穩定。”

圖丨熔體滲透后電極形貌的表征

該技術可以在大型汽車鋰離子電池中使用，它與傳統液體電解質電池生產過程采用相同的制造工藝，但不是使用液體電解質，而是使用 100％固態不可燃的陶瓷，因而變得更加安全。

目前該技術正在申請專利，這種技術分別從兩方面汲取經驗 —— 液體電解質的低成本和商用鋰離子電池的制造方法，但在生產過程中將工藝改為固態電解質，其熔點低的特征可使其熔化并滲入致密的電極中。結果表明，能夠借鑒鋰離子電池已有 30 多年經驗的成熟工具以及制備工藝，在此條件下，能夠快速生產、大規模地制造出高質量多層電池，并且任何大小或形狀都可以。

喬治亞理工學院的研究生、該論文第一作者 Yiran Xiao 解釋說：“熔滲技術是關鍵的進步。鋰離子電池的循環壽命和穩定性在很大程度上取決于工作條件，尤其是溫度。如果電池長時間長時間過熱，它們通常會開始過早退化，并且過熱的電池可能著火。這促使幾乎所有電動汽車（EV）都配備了復雜且昂貴的冷卻系統。相比之下，固態電池可能只需要加熱器，這比冷卻系統便宜得多。”

圖丨 Gleb Yushin 教授在校園 EV 充電站

“已開發的熔體滲透技術可與包括所謂轉換型電極在內的各種化學材料兼容。目前，這種材料已被證明可將汽車電池的能量密度提高 20％以上，在汽車中的能量密度可提高 100％以上。” 佐治亞理工學院科學家 Kostiantyn Turcheniuk 說。他指出，“更高密度的電池支持更長的行駛距離，電池則需要大容量的電極以實現性能上的飛躍。”

雖然目前佐治亞理工學院的技術尚未投入商業應用，但 Yushin 預測，“如果未來電動汽車市場將使用固態電池常態化，那么這可能是唯一的方法，因為它將允許制造商使用其現有產品設施和基礎設施。這就是我們專注于該項目的原因，這是我們實驗室追求的最具商業可行性的創新領域之一。”

據悉，電池價格在 2020 年首次達到每千瓦時 100 美元。Yushin 在接受媒體采訪時表示，“他們必須將價格降至每千瓦時 70 美元以下，才能完全打開消費者電動車市場，電池創新對于這種情況至關重要。科學家們正在研究和優化高溫電解液，這種電解液不僅在細胞中使用的成本高得多，而且種類多達五種。相較于液態電解質，它重了兩倍。”

目前，該研究團隊重點聚焦在是否可以使用相同技術開發其他熔點較低且電導率較高的電解質，這種制造工藝的技術為在該領域進行更多創新打開了閘門，未來電池制造商將能夠生產出更輕、更安全、更節能的電池。

參考：

https://techxplore.com/news/2021-03-key-low-cost-fast-production-solid-state.html

https://www.nature.com/articles/s41563-021-00943-2
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