研究人员开发全固态电池用固体电解质 无需高温热处理

据外媒报道，全固态电池是在正、负极之间使用固体电解质的二次电池。与传统的锂离子电池相比，其能量密度高且起火爆炸风险大幅降低，被视为下一代电池技术的代表。

（图片来源：onlinelibrary.wiley.com）

近年来，全固态电池领域的材料研究集中于充分提升材料结晶度，以实现与电解液相当的离子导电率（10 mS/cm及以上）。然而，这需要在材料混合或反应后进行长达数天的高温结晶步骤（500℃以上）。因为机械变形能力降低，所以工艺成本提高，且易出现电池界面接触问题。

韩国科学技术院（KIST）能源材料研究中心Hyoungchul Kim博士的研究团队宣布，在室温和常压下，已通过一锅法工艺（one-pot process）成功合成了固体电解质，并使其具有超导电性和高弹性变形能力。该项研究可以充分提高全固态电池材料的生产率，并通过改善弹性变形能力来解决固有的界面问题，因此备受关注。

该团队重点关注银辉石硫化物（argyrodite sulfides）的晶体学特征。在常温常压条件下，银辉石硫化物可合成一种具有高度可变形性和离子导电的固体电解质材料。理论上来说，通过最大化银辉石晶体中4a和4c位点的卤素取代率，可以充分提升离子导电率。但是，由于热力学不稳定性，这种材料从未被实际合成出来。此外，常见的银辉石超导体需要经过500°C以上的高温热处理。

因此，卤素取代率无法达到最大化，弹性模量随着结晶度的增加而下降，从而导致电池性能快速退化。与之相反，在不进行高温热处理的情况下，可以实现与玻璃相似的低弹性模量。然而，离子电导率保持在3ms/cm左右，使其作为固态电解质的适用性受限。

该团队提出一种新策略，可以实现热力学不稳定结构（即完全卤化的银辉石），以充分利用结晶和玻璃状特性。研究人员开发了一种成分控制方法，可以降低银辉石的结晶温度；以及新的两步机械化学铣削工艺，适合较低的结晶温度。这有利于合成完全卤素取代（约90.67%）的银辉石，电导率约为13.23ms/cm，而无需经过长时间的高温热处理。

该合成材料还具有约12.51 GPa的弹性模量，是超导电固体电解质的最低报告值之一，有利于改善全固态电池的界面性能。此外，新的常温常压一锅法工艺可以在不到15小时的时间内完成，是具有良好导电性固体电解质中生产率最高的。与传统超导固体电解质合成工艺材料相比，大约可以实现2-6倍的生产率。

研究负责人Kim博士表示：“研究人员通过新工艺，在常温常压下成功开发了一种新的固体电解质材料，并使其具有高变形性和离子电导率。这种新材料将促进全固态电池商业化，以用于电动汽车和储能系统。因为不需要高温热处理，可以充分提高材料生产率，同时提供高变形性和良好的导电性，适合解决全固态电池的电极界面问题。”