电动汽车欢欣鼓舞：科学家开发出无钴、低成本的电池生产

一种新的无烧结生产锂陶瓷的方法已经被开发出来，为更高效的锂离子电池铺平了道路。这种突破性的方法为电池设计提供了一种可持续和经济的方法，有可能消除对钴等元素的依赖。

锂陶瓷可以作为固体电解质，用于更强大、更经济的可充电锂离子电池。挑战在于找到一种在高温下不烧结的生产方法。在最近发表在Angewandte Chemie杂志上的一篇论文中，一个研究小组介绍了一种无烧结矿的方法，可以高效、低温地合成导电晶体形式的这些陶瓷。

电动汽车电池的发展

两个因素主导着电动汽车电池的发展:动力，它决定了汽车的续航里程;在与内燃机的竞争中，成本是至关重要的。美国能源部旨在加速从汽油动力汽车向电动汽车的过渡，并制定了到2030年降低生产成本和提高电池能量密度的宏伟目标。这些目标是传统锂离子电池无法实现的。

固态电池的前景

制造更小、更轻、更强大、更安全的电池的一个非常有前途的方法是使用固态电池，其阳极由金属锂而不是石墨制成。传统的锂离子电池具有液态有机电解质，并使用聚合物膜将阳极和阴极分隔开，与之相反，固态电池的所有组件都是固体。

薄陶瓷层同时充当固体电解质和分离器。它对锂枝晶生长引起的危险短路和热失控都是非常有效的。此外，它们不含易燃液体。

陶瓷电解质的挑战

石榴石型氧化锂Li7La3Zr2O12?d (LLZO)是一种适合于高能量密度电池的陶瓷电解质/分离器。这种材料必须在1050°C以上与阴极一起烧结，才能将LLZO转化为快速导电锂的立方晶相，使其足够致密，并牢固地结合到电极上。然而，超过600°C的温度会破坏可持续的低钴或无钴阴极材料的稳定性，同时也会提高生产成本和能耗。需要更经济、更可持续的新生产方法。

一个Revolutio合成工艺

由美国麻省理工学院(MIT)和德国慕尼黑工业大学(TU Munich)的Jennifer L. M. Rupp领导的一个团队，现在已经开发出了这样一种新的合成工艺。他们的新工艺不是基于陶瓷前驱体化合物，而是基于液体前驱体化合物，在顺序分解合成中直接致密形成LLZO。

为了优化这种合成路线的条件，Rupp和她的团队使用多种方法(拉曼光谱，动态差示扫描量热法)分析了LLZO从无定形到所需晶体形式(cLLZO)的多步相变，并制作了时间-温度转变图。

基于他们对结晶过程的深入了解，他们开发了一种方法，在相对较低的500°c温度下，经过10小时的退火，cLLZO成为致密的固体薄膜，而无需烧结。对于未来的电池设计，这种方法将允许将固体LLZO电解质与可持续阴极集成，从而避免使用钴等社会经济关键元素。

参考文献:“用于低温可持续合成的电池级锂石榴石电解质的时间-温度转变(TTT)图”，作者:朱云彤，Michael Chon, Carl V. Thompson和Jennifer L. M. Rupp, 2023年9月18日，Angewandte化学国际版。DOI: 10.1002 / anie.202304581

这项研究由美国国家科学基金会资助。