清华新闻网8月16日电 近日，清华大学材料学院伍晖教授课题组报道了一种基于大气等离子喷涂（APS）的锂离子固态电解质Li₇La₃Zr2O12（LLZO）薄膜制备方法，制备了面积、厚度可控的LLZO薄膜。通过退火等后处理，最终得到的LLZO薄膜兼具较好的电化学与力学性能。研究团队提出的APS制备方法成本低且效率高，对于固态电解质薄膜的生产具有可扩展性。这一发现为全固态电池的产业化应用提供了新的思路。
随着储能设备和电动汽车的发展进一步加速，对锂离子电池的能量密度和安全性的要求日益增长。全固态电池（ASSBs）作为一种安全可靠的高性能储能电池，正迅速走向商业化。然而，ASSBs的进一步发展仍需克服较多困难。其中最具挑战性的问题之一是缺乏高效率、大规模的固态电解质制备技术，以实现与传统锂离子电池中聚合物隔膜厚度大致相同的高质量固态电解质薄膜的批量生产。
为了解决这一难题，研究团队将APS引入固态电解质制备中，通过氩气将LLZO颗粒运送至大气等离子喷涂机的喷枪中，LLZO颗粒在等离子焰流的高温下熔化并形成高速运动的熔滴，击打到基板上，形成均匀的LLZO薄膜（如图1）。

图1.等离子喷涂设备及喷涂得到的LLZO薄膜
课题组成员发现，从形貌上来看，LLZO薄膜的表面和截面均匀且无明显裂纹。通过控制等离子喷涂喷枪在基板上扫描的时间和送粉速度，可以得到不同厚度的LLZO薄膜。通过退火的后处理，LLZO薄膜的截面致密度明显提高。在退火过程中由于使用氧化铝坩埚，在晶界处形成以LiAlO₂为主的Li_2O-Al₂O₃的共晶相，加速了LLZO薄膜致密化的同时，也减少了在高温退火下的锂损失（如图2）。

图2.等离子喷涂制备的LLZO薄膜的物理性能表征
进一步研究表明，经过APS得到的LLZO薄膜在室温下的锂离子电导率为3.82×10-5S cm^-1，激活能为0.38eV。其电子电导率约为2.80×10-9S cm^-1，相较于其离子电导率可以忽略，杜绝了自放电的现象和锂枝晶生长带来的安全隐患。采用这种LLZO薄膜制备的Li/LLZO/Li对称电池和Li/LLZO/LiFePO₄全电池实现了不同电流密度下和不同倍率下的稳定循环。
研究成果以“大气等离子喷涂快速制备均匀、厚度薄、可靠且大面积的石榴石型固态电解质薄膜”（Rapid Processing of Uniform, Thin, Robust, and Large-Area Garnet Solid Electrolyte by Atmospheric Plasma Spraying）为题发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。
清华大学材料学院2020级硕士生吴宇龙、清华大学2019级直博生王匡宇为论文的共同第一作者。清华大学材料学院伍晖教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委员会“材料的关联重构与高效能”基础科学中心项目的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202300809
供稿：材料学院
题图设计：刘雨田
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年08月16日 11:49:21