基于超快烧结技术的新型石榴石型固态电解质的计算合成-天津中环电炉股份有限公司

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基于超快烧结技术的新型石榴石型固态电解质的计算合成

美国马里兰大学胡良兵教授课题组在期刊《Advanced Materials》上发表了论文。研究中采用焦耳加热的超快烧结技术合成了具有理想材料质量的固态电解质SSEs。

2025-10-31

DOI: 10.1002/adma.202005059

美国马里兰大学胡良兵教授课题组在期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Computation-Guided Synthesis of New Garnet-Type Solid-State Electrolytes via an Ultrafast Sintering Technique”的论文。研究中采用焦耳加热的超快烧结技术合成了具有理想材料质量的固态电解质SSEs。

研究背景

固态电解质（SSEs）是开发具有良好安全性和高能量密度的下一代锂电池不可或缺的组成部分。具有立方相的石榴石型固态电解质表现出良好的离子电导率、宽电化学窗口以及与锂的良好稳定性，人们对于发现新型石榴石型SSEs以实现锂电池应用的最佳性能给予了高度关注。然而，传统的合成方法通常需要苛刻的条件（即长烧结时间、床粉浪费严重），但仍存在材料质量差和锂损失严重的问题，从而削弱了理论预测的前景。因此，探究新的快速合成方法来实现计算预测，以快速优化和筛选固态电解质是至关重要的。

研究方法

1.通过计算探索一系列石榴石型化合物：通过计算探索了一系列石榴石型化合物Li_6.5A₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂，并使用密度泛函理论（DFT）评估了它们的稳定性。

2.通过超快烧结技术制备高质量的固态电解质颗粒：在典型的合成过程中，压制好的前驱体颗粒与碳基焦耳加热器紧密接触进行烧结，可以在8秒内以约220 K/ s的升温速率升至烧结温度（约1773 K）（图2a,b）。烧结后，分别得到蓝色LNZTO（图2c）和LSZTO（图 2f）。得益于超快烧结工艺，LNZTO中的锂含量得到了良好控制。

3.电化学性能评估：在40 至 100℃的温度范围内，使用 Li-Sn 合金电极通过电化学阻抗谱（EIS）测量了 Li+电导率（图 3a）。通过使用我们的超快烧结技术来确保材料质量，合成的 LNZTO 性能优于 LSZTO，这与计算预测的稳定性趋势相符。

4.提高 LSZTO 的性能，我们在相同条件下，采用超快烧结技术合成了改性石榴石型 SSE L-LSZTO。如计算预测所示，与 LSZTO 相比，L-LSZTO 的结晶度更高。由于超快烧结技术实现了精确的成分控制，L-LSZTO 的元素分布均匀。由于杂质消除和La 掺杂，L-LSZTO 的离子电导率在室温下提高至 1.75×10⁻⁴ S cm⁻¹，其活化能降低至0.38 eV（图 4e）。Li/L-LSZTO/Li 的临界电流密度提高至 1.2 mA cm⁻²（图4f）。

研究结论

在本研究中，通过计算预测并采用超快烧结技术合成了石榴石型固体电解质（Solid State Electrolytes，SSEs）的新成员，包括 LNZTO、LSZTO 和 L-LSZTO。得益于快速升温速率和高烧结温度，与传统方法相比，处理时间可从数小时缩短至 <25 秒。因此，合成的颗粒具有致密的微观结构、高相对密度（例如，≈92%）以及烧结过程中极小的锂损失。本研究展示了通过强大的合成方法成功实现计算预测，以快速优化和筛选 SSEs。

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