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    钨掺杂石榴石型固体电解质的好处

    为了进一步提高石榴石型固体电解质——Li7La3Zr2O12(LLZO)的烧结稳定性、性能一致性以及抑制锂枝晶生长,中国科学院上海硅酸盐研究所郑楚均研究员向其中掺杂了钨(W)元素和钽(Ta)元素,形成LLZT-2LWO。

    钨掺杂石榴石型固体电解质图片

    图片来源:ChujunZheng/materialstoday

    众所周知,相对于液态锂电池来说,固态锂电池拥有更大的能量密度、更好的循环性能和更高的安全性能,因此深受储能和动力电池领域的高度关注。不过,高温烧结过程中,氧化锂(LixO)的挥发会导致LLZO密度下降和异常晶粒生长。另外,由于锂枝晶沿着晶界和互连孔传播,LLZO更容易在循环过程中形成锂枝晶,显示出较低的临界电流密度。为了解决上述的问题,开发具有均匀晶粒尺寸和良好晶界接触的高质量LLZO是很重要的。

    郑楚均研究员采用了钨和钽元素提高了LLZO的性能。W和Ta可取代LLZO的Zr元素,引入更多锂空位并稳定立方相。钨酸锂(Li2WO4,LWO)作为W源引入到Ta掺杂LLZO(LLZT)形成LLZT-2LWO。研究表明,加入LWO后,LLZT-2LWO的离子电导率为0.6mS/cm,相对密度为 98.67%;LLZT-2LWO 在0.5 mA/cm2下实现了300小时的长循环稳定性,表现出优异的枝晶抑制能力。

    Li2WO4图片

    使用LWO添加剂的好处是:1)低熔点LWO可以降低LLZT的烧结温度以及改变LLZO的晶界移动能力,避免异常晶粒生长,从而拓宽烧结温度范围;2)可作为烧结助剂,并提供内部Li2O气氛补。使用Ta添加剂的好处是:Ta掺杂LLZO具有良好的空气稳定性、机械强度、较高的室温锂离子电导率和热稳定性。

    该研究工作为固态锂电池开辟了新的机遇,有利于规模化生产。

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