近日，beat365伍晖教授課題組報道了一種基于大氣等離子噴塗（APS）的锂離子固态電解質Li₇La₃Zr2O12（LLZO）薄膜制備方法，制備了面積、厚度可控的LLZO薄膜。通過退火等後處理，最終得到的LLZO薄膜兼具較好的電化學與力學性能。研究團隊提出的APS制備方法成本低且效率高，對于固态電解質薄膜的生産具有可擴展性。這一發現為全固态電池的産業化應用提供了新的思路。

随着儲能設備和電動汽車的發展進一步加速，對锂離子電池的能量密度和安全性的要求日益增長。全固态電池（ASSBs）作為一種安全可靠的高性能儲能電池，正迅速走向商業化。然而，ASSBs的進一步發展仍需克服較多困難。其中最具挑戰性的問題之一是缺乏高效率、大規模的固态電解質制備技術，以實現與傳統锂離子電池中聚合物隔膜厚度大緻相同的高質量固态電解質薄膜的批量生産。

為了解決這一難題，研究團隊将APS引入固态電解質制備中，通過氩氣将LLZO顆粒運送至大氣等離子噴塗機的噴槍中，LLZO顆粒在等離子焰流的高溫下熔化并形成高速運動的熔滴，擊打到基闆上，形成均勻的LLZO薄膜（如圖1）。

圖1.等離子噴塗設備及噴塗得到的LLZO薄膜

課題組成員發現，從形貌上來看，LLZO薄膜的表面和截面均勻且無明顯裂紋。通過控制等離子噴塗噴槍在基闆上掃描的時間和送粉速度，可以得到不同厚度的LLZO薄膜。通過退火的後處理，LLZO薄膜的截面緻密度明顯提高。在退火過程中由于使用氧化鋁坩埚，在晶界處形成以LiAlO₂為主的Li_2O-Al₂O₃的共晶相，加速了LLZO薄膜緻密化的同時，也減少了在高溫退火下的锂損失（如圖2）。

圖2.等離子噴塗制備的LLZO薄膜的物理性能表征

進一步研究表明，經過APS得到的LLZO薄膜在室溫下的锂離子電導率為3.82×10-5S cm^-1，激活能為0.38eV。其電子電導率約為2.80×10-9S cm^-1，相較于其離子電導率可以忽略，杜絕了自放電的現象和锂枝晶生長帶來的安全隐患。采用這種LLZO薄膜制備的Li/LLZO/Li對稱電池和Li/LLZO/LiFePO₄全電池實現了不同電流密度下和不同倍率下的穩定循環。

研究成果以“大氣等離子噴塗快速制備均勻、厚度薄、可靠且大面積的石榴石型固态電解質薄膜”（Rapid Processing of Uniform, Thin, Robust, and Large-Area Garnet Solid Electrolyte by Atmospheric Plasma Spraying）為題發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。

beat3652020級碩士生吳宇龍、清華大學2019級直博生王匡宇為論文的共同第一作者。beat365伍晖教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委員會“材料的關聯重構與高效能”基礎科學中心項目的支持。

論文鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202300809