近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘巍教授课题组和于奕教授课题组合作，在《科学·进展》（Science Advances）上发表了题为“Textured Lithium Ceramics Prepared by Gas-Solid Reactive Sintering”的研究论文。该研究利用气固反应烧结法成功制备了多种具有织构特征的块体锂陶瓷（包括电解质与电极材料），通过调控晶粒形貌与晶体结构构建了更为高效的锂离子传输路径，极大提升了电解质以及电极材料的离子传输性能，推动了全固态锂电池向更高能量密度、更长使用寿命和更安全的方向发展。
传统陶瓷电解质和电极材料的内部一般由大量的等轴晶紧密结合组成，这些晶粒在排列以及晶体学取向上均呈现无规则的随机分布。因此，离子在这些材料内部的传输可分为晶粒内部传输和晶粒间传输两个过程。然而，晶界处成分与结构极为复杂，导致离子穿越晶界平面的阻抗远大于晶粒内部，这严重限制了离子的快速传输，制约着陶瓷基全固态电池的发展。
图1：气固反应烧结法制备织构锂陶瓷及其内部离子传输示意图。
为解决这一问题，团队开创性地提出利用气固反应烧结法制备得到了具有织构特征（织构：多晶体中晶粒的排列或晶体学取向在某些方向上呈现规则性排列）的陶瓷电解质（Li7La3Zr2O12，LLZO）以及电极材料（Li2MnO3, LMO和LiCoO2, LCO）。所有材料内部均由垂直于表面的大尺寸柱状晶组成，其中单个LLZO晶粒直径超20 μm，长度可达100 μm以上。除此之外，两种电极材料还具有面外织构的晶体学取向特征。
图2：柱状晶织构陶瓷电解质
得益于晶粒形貌以及晶体结构的优化，锂离子在电解质和电极中的传输只需通过单个晶粒或沿连续的晶界进行，避免了垂直穿越晶界的过程。因此，陶瓷电解质的离子电导率提升了40倍以上，电极材料的离子传输性能也提升了一个数量级。相关实验结果还通过蒙特卡洛模拟以及有限元分析得到了理论支撑与验证。
图3：织构陶瓷电解质及电极中的离子传输路径示意图
团队结合实验分析与理论研究，提出气固反应烧结法中柱状晶的形成是由于陶瓷素坯表面到内部的气体浓度梯度，而电极材料中存在的晶体学取向则归因于吸附能的差异。气固反应烧结法的提出与机理解释，不仅为制备织构陶瓷材料提供了一种新方案，也为提升陶瓷材料电化学性能提供了一种可靠途径。
上海科技大学物质学院2022级博士研究生张鑫水和2024级博士研究生杨艺航为论文的共同第一作者，刘巍教授和于奕教授为共同通讯作者。该工作得到了物质科学与技术学院分析测试中心余娜和创意与艺术学院张振波教授的帮助，上海科技大学为唯一完成单位。
论文标题：Textured Lithium Ceramics Prepared by Gas-Solid Reactive Sintering
沪公网安备 31011502006855号