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全固态电池（ASSB）凭借其高能量密度和安全性，被认为是取代现有锂电成为未来主流的动力电池与储能技术。  传统锂电与全固态电池对比 图源：网络 虽然全固态电池因使用固态电解质替代电解液获得了高安全性，但电解质SE大颗粒尺寸让界面接触和离子传输率大幅降低，这让全固态电池很难在高正负极负载下实现稳定循环工作。 针对此情况，我国科学家尝试利用冷冻干燥技术制造出颗粒尺寸在0-200nm区间占比80%的Li3InCl6固态电解质，这大幅提高了电池复合正极电荷传输效率与整体界面接触率，提升电化学性能，实现稳定循环工作。  冰冻干燥法、水合法与球磨法对比 冰冻干燥技术在纳米材料领域得到了广泛应用，合成制造卤化物SEs尚属首次。同时为了验证新工艺技术的可行性，研发团队与常见的水合法与球磨法制备工艺进行对比。 研发团队将比例的LiCl和InCl3溶解在去离子水中形成溶液，然后在冰冻干燥机中冻成固体，利用真空升华去除其中游离水，得到Li3InCl6·xH2O。 真空升华步骤可以显著改善容易蒸发过程中因颗粒碰撞和高温导致的颗粒尺寸增大的问题，以获得比传统水合法尺寸更小的颗粒。 完成上述两个环节后，最后在真空环境中去除结晶水来获得纯Li3InCl6（LIC）。 不同于传统水合法与球磨法，冰冻干燥技术不会采用热蒸来去除游离水，或通过高能球磨合烧结来混合LiCL和INCI3来制备纯LIC。 在电解质合成中，烧结温度会影响SE的结晶度和粒度。为了对比冰冻干燥法和水合法及球磨法，研发团队采用200—400摄氏度三种不同烧结温度。 实验表明，在同等含有80%活性正极材料的全固态电池进行倍率测试中，200摄氏度烧结SE的比容量远高于300与400摄氏度烧结SE的测试电池。  复合正极与固态电解质SEM横截面 在循环与抗阻测试中，200摄氏度电池也表现出佟倍率测试中一样的优越性。这证明200摄氏度烧结问题可获得最佳LIC，温度越高会让颗粒物直径同比增大，无法在阴极中形成稳定的导锂网络。 研究人员在实验后观测测试电池的阴极/SE界面后发现，颗粒物细化度越高，界面越平滑，抗阻值越低，电化学与循环性能越好。  循环寿命测试 在实验中，采用冰冻干燥技术制备并经过200摄氏度烧结制成的测试电池，在超高电流密度/速率（20C即3分钟）下，实现30000次循环的超长寿命，而且容量保持在70%。 这说明新技术大幅减小SE的粒度，可以改善锂导电网络和界面接触，以承受充放电过程中电极材料体积变大带来的不利影响。 整个实验取得了成功，证明冰冻干燥工艺的可行性，且试验用电池SE与氧化物阴极材料有很好的兼容性，对环境友好且易大规模生产，可以满足储能系统需求。  本次试验成果在今年3月16日，以“High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Battery Enabled By Freeze Drying Technology ”为题发表在国际知名期刊Energy& Environmental Science上。  特斯拉储能设备 结合我国科技企业与特斯拉在国内加速布局商业储能系统，采用新制备工艺的全固态电池（ASSB）必将大放光彩，为绿色可持续发展做出贡献。 |
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