宾夕法尼亚州立大学利用冷烧结实现多材料集成 以生产更好的固态电池

与传统电池相比，固态电池具有更高的能量潜力且更安全，是推动电动汽车发展的关键。据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的研究人员提出了一种改进的固态电池生产方法，通过冷烧结实现多材料集成，从而获得更好的电池。

（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

该团队在相对较低的温度下对陶瓷固态电解质进行冷烧结。对碳和活性材料来说，传统烧结过程中的温度过高，会导致材料降解。研究人员将陶瓷固态电解质的烧结温度，从通常的1200℃降至400℃以下，从而使固态电解质可与电池中的其他构成整合在一起，比如活性材料和电极，并将界面冷烧结在一起。

该项研究的主要作者、材料科学博士生Zane Grady表示，解决这一问题是目前科学界最热门的话题之一。“这表明利用陶瓷制造固态电池是可能的。在采用低温烧结方法之前，人们认为在低温环境下必须使陶瓷在密度或电导率上做出妥协。这打开了固态电池材料之间可以协同加工的整个窗口，这是其他任何陶瓷加工方法都做不到的。”

固态电池电解质由陶瓷、聚合物、聚合物基复合材料或柔软的非晶态材料制成。作为离子导体和固态电解质，陶瓷被认为是最好的材料之一。在之前的一项研究中，该团队演示了如何在低于150℃的低温烧结条件下，制造多层固态锂离子电池。研究人员借助导电盐来获得适当的电化学性能，然而，这会削弱部分导电和安全性能。该团队证明，由磷酸锆硅酸钠组成的固态电解质（简称NASICON固态电解质），可以在略高的温度（375℃）下进行冷烧结，方法是采用活性更强的固体氢氧化钠瞬态溶剂，代替液体瞬态溶剂。在这种情况下，不使用任何额外的导电盐，就制备出一种导电陶瓷固态电解质。

对于目前的这项研究，该团队展示了一种制造固态电池混合导电电极的新途径。该团队采用一种NASICON（钠超离子导体）正极陶瓷粉末，通过瞬态溶剂使其致密化成为陶瓷复合颗粒，并用卡弗压片机（carver press）对粉末施加必要的压力，在375℃下加热3小时。

该团队下一步将微调这种固态电池冷烧结工艺。Grady表示：“研究人员认为有可能真正探讨冷烧结电解质的成分，并研究陶瓷混合导电和组成之间的关系。这样就可以充分优化活性材料，同时获得在适当温度下运行电池所需的导电性。另一方面，研究人员也在探索分层结构。这样就可以混合所有东西，包括正极中的固体电解质。”

研究人员还将探讨一些额外问题，比如如何将正极和电解质叠放在一起，而不会在界面上造成离子瓶颈；以及可以制造出多薄的电解质。