【应用分享】陶瓷基全固态锂金属电池的超快烧结-天津中环电炉股份有限公司

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【应用分享】陶瓷基全固态锂金属电池的超快烧结

焦耳热/碳热冲击是超快烧结的核心驱动力，能显著缩短时间、抑制挥发和互扩散，但必须精确控制加热时间、气氛与温度均匀性，否则会引发热应力、熔化、孔洞和材料分解。

2026-10-30

DOI：10.1002/adma.202200430

研究背景

全固态金属电池因高安全性和高能量密度备受关注，其中氧化物陶瓷电解质虽具高离子电导率和宽电化学窗口，但传统烧结需高温长时间，易导致Li/Na挥发、杂相生成及电极/电解质界面元素互扩散；现有微波烧结仍需数小时且依赖母粉补偿，超快烧结则需惰性气氛。因此，亟需开发一种空气气氛下快速致密化陶瓷电解质并实现电极/电解质共烧结的新方法。

研究方法

一、实验方法：

1.微波辅助超快烧结

1)材料：陶瓷电解质生坯直径1.27cm，厚度1mm，200MPa压制。碳黑用量约1.5g;

2)将陶瓷生坯埋在碳黑基质中，预加热500w，80s；

3)烧结800w（红外测温约1000℃），25s；

4)冷却约40s

1.共烧结设计

1)电极层为NMO:LATP：碳黑=60:37:3wt%

2)电解质层：LATP

3)烧结条件：1000℃，25s一步烧结

4)传统方法：1000℃，1h

一、表征结果

1.LLZTO超快致密化

◆在 25 s 内，LLZTO 晶粒从约 1.93 μm 长到 3.31 μm，显微结构明显致密化。

◆MAUST 烧结 LLZTO 的相对密度达到 94.5% ± 5.4%，高于传统烧结的 92.3% ± 5.8%。

◆若烧结时间延长到 30 s，电解质会熔化呈球形并产生大量孔洞，说明烧结窗口很窄。

2.抑制Li挥发，保持晶体结构

◆XRD 显示：MAUST 烧结的 LLZTO 保持立方石榴石结构。

◆传统炉烧结的 LLZTO 几乎转变为 La₂Zr₂O₇，说明 Li 损失严重。

◆ICP-OES 测定 Li 保留率：

1)MAUST-LLZTO：94%

2)传统炉烧结 LLZTO：2%

这是该工作最重要的优势之一：超短时间高温烧结有效抑制了 Li 挥发。

3.电池性能

构建的电池结构为：Li | PCE | LATP | NWO。其中PCE为塑性晶体电解质，用于避免LATP与Li的副反应。PCE由5 mol% LiTFSI溶于琥珀腈（SN），并加入2 wt% LiNO₃ 添加剂，以玻璃纤维为宿主冷却成膜。

电池测试条件：

1)室温；电流密度：20 μA cm⁻²；电压范围：1.0–3.0 V。

2)面积容量 2.09 mAh cm⁻²，循环 20 圈；

3)另一组达到 5.70 mAh cm⁻²；

4)方法为一步共烧结，1000 °C，25 s。

与文献中大量两步共烧结（如 700 °C、1 h）相比，本工作面积容量显著更高，且工艺时间极短。

焦耳热的影响

结论

该工作提出微波辅助超快烧结（MAUST）技术，利用碳黑作为微波感受器、通过微波诱导碳热冲击在空气中约25 s内实现LLZTO、LATP、NZSP等多种陶瓷电解质及电极/电解质多层的快速致密化与共烧结；超短烧结时间有效抑制了Li/Na挥发和界面元素互扩散，所构建的全固态锂电池表现出良好电化学性能。该方法还可拓展至金属、碳化物、氮化物等非氧化物材料及不规则结构，为全固态电池和先进材料加工提供了一条省时、节能、可规模化的新路径。

中环电炉焦耳热快烧炉系列

焦耳热快烧炉是一种多用途的新型快速超高温烧结设备。利用通电碳材料的焦耳加热形成高温场，获得超快升降温速率和超高烧结温度，可在数分钟内实现实现材料的快速合成和烧结，抑制低熔点组分的高温挥发，减少副反应或交叉扩散，抑制晶粒长大，并可制备复杂几何形状材料等。广泛适用于陶瓷材料、固态电解质、氧化物燃料电池材料、金属纳米催化材料、石墨烯及纳米材料、高熵合金及高熵化合物等领域。

优越性能：

▶ 先进碳质加热器：支持最高3000℃

▶ 超快升温速率：10-500℃/s

▶ 自定义程序控温