多年来，锂离子电池一直是设备制造中的主要材料，但其赖以运行的液体电解质非常不稳定，容易引发火灾和安全隐患。如今，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员正在为笔记本电脑、手机和电动汽车寻找一种可靠的替代能源存储解决方案：固态电解质（SSE）。

图片来源： Penn State

据工业与制造工程助理教授Hongtao Sun介绍，固态电池（使用SSE代替液体电解质）是传统锂离子电池的领先替代品。他解释说，尽管两者之间存在关键差异，但其工作原理在根本上是相似的。

“可充电电池包含两个内部电极：一侧是阳极，另一侧是阴极，”Sun教授说道。“电解质充当这两个电极之间的桥梁，提供快速的导电性传输。锂离子电池使用液体电解质，而固态电池使用固态电解质（SSE）。

Sun教授解释说，固态电池与传统锂离子电池相比，稳定性和安全性更高，但在制造和导电性方面也面临诸多挑战。例如，制造过程中引入的高温，尤其是陶瓷基固态电解质，可能会阻碍其生产和实际应用。

据外媒报道，为了克服这一挑战，Sun教授和他的团队采用了一种名为“冷烧结”的技术——将粉末状材料加热，用液体溶剂处理，然后压缩成更致密的形状——来制备一种名为LATP-PILG的高导电性陶瓷-聚合物复合材料SSE。该方法之所以被称为“冷烧结”，是因为它的加工温度远低于传统的烧结方法，而是依靠施加的压力和少量的液体溶剂来完成整个过程。相关研究论文发表在期刊《Materials Today Energy》上。

传统的陶瓷基SSE通常由多晶颗粒构成，这种材料由数百个微小晶体组成，这些晶体由晶粒边界分隔开来。据Sun介绍，这些晶粒边界被认为是阻碍导电离子传输的缺陷。为了降低陶瓷基SSE的导电损耗，Sun的团队将聚离子液体凝胶（PILG）与LATP陶瓷共烧结，形成了一种陶瓷聚合物复合SSE。由于其稳定性和高导电性，这种材料成为了一种理想的应用材料。

PILG在SSE中充当高导电性的“晶粒边界”，促进离子跨越人工边界而非易受缺陷影响的天然界面进行传输。Sun表示，该团队最初尝试使用传统的高温烧结工艺来开发新型SSE，但很快就遇到了问题。

“基于LATP的复合固态电解质的制造挑战之一是陶瓷的烧结温度非常高，以至于传统的烧结方法实际上会在陶瓷达到适当的致密化之前烧尽任何添加剂，例如聚合物化合物，”Sun教授说道。“这就是为什么我们必须采用冷烧结技术，以保持更低的温度。”

冷烧结技术最初于2016年由宾夕法尼亚州立大学材料研究所所长、材料科学与工程杰出教授Clive Randall领导的一个研究项目开发。该技术在固态电池开发中的应用始于2018年，当时化学工程教授、工程学院公平与包容事务代理副院长Enrique Gomez实验室的一位博士后学者，研究开发了冷烧结陶瓷复合电解质。

据Sun教授介绍，传统的烧结工艺需要达到材料熔点的80%左右，而像LATP这样的陶瓷化合物很容易达到900到1000摄氏度。“对于这项应用，我们能够将烧结温度保持在非常低的水平，大约150摄氏度，”Sun教授表示。“这使得我们能够利用冷烧结工艺将不同类型的材料整合成高密度结构，而无需考虑它们的加工温度。”

通过将LATP陶瓷与PILG凝胶烧结，Sun教授团队开发出了一种复合SSE，该材料在室温下具有高离子电导率等诸多优势。

“除了更高的电导率外，我们的陶瓷聚合物复合SSE还展现出非常宽的电压窗口，在0至5.5伏之间，”Sun教授解释说，传统液体电解质的电压窗口为0至4伏。“我们陶瓷SSE的大电压窗口支持使用高压阴极，从而使电池整体能够产生更高的能量。”

对于Sun教授来说，这项冷烧结技术的应用未来将超越电池的改进。他表示，他相信冷烧结技术对于企业如何在一般制造业以及半导体制造等更具体的行业中使用陶瓷复合材料具有重大影响。“我们的下一个目标是开发一个支持大规模生产和可回收利用的可持续制造系统，因为这将是该技术实现工业应用的关键，”Sun教授说道。“这是我们希望在未来几年努力实现的宏伟愿景。”