豐橋技術(shù)大學(xué)的研究人員利用氣溶膠沉積法成功地在石榴石型氧化物固體電解質(zhì)上制備了三釩酸鋰（LVO）陰極厚膜。在固體電解質(zhì)上制造的LVO陰極厚膜顯示出大的可逆充放電容量（高達(dá)300mAh/g），并且在100℃下具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。該發(fā)現(xiàn)可有助于實(shí)現(xiàn)高度安全且化學(xué)穩(wěn)定的基于氧化物的全固態(tài)鋰電池。研究結(jié)果于2018年9月1日在Materials雜志中報(bào)道。

可充電鋰離子電池(LiBs)因其高能量密度和良好的循環(huán)性能，在全球范圍內(nèi)被廣泛用作智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等移動(dòng)電子設(shè)備的電源。近年來(lái)，在汽車推進(jìn)、太陽(yáng)能、風(fēng)能間歇發(fā)電的固定負(fù)荷調(diào)平等領(lǐng)域，中、大規(guī)模LiBs的發(fā)展大大加快。然而，更大的電池尺寸會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的LIBs安全問(wèn)題：其中一個(gè)主要原因是可燃有機(jī)液體電解質(zhì)含量的增加。

具有高度不可燃性的無(wú)機(jī)鋰離子（Li）導(dǎo)體作為固體電解質(zhì)（SE）的全固態(tài)鋰離子電池由于其高能量密度、高安全性和可靠性而有望成為下一代儲(chǔ)能裝置。固體電解質(zhì)材料不僅在室溫下具有高的鋰離子傳導(dǎo)性，而且還具有可變形性和化學(xué)穩(wěn)定性。與硫化物基材料相比，氧化物基固體電解質(zhì)材料具有相對(duì)低的導(dǎo)電性和差的可變形性;但是固體電解質(zhì)材料具有化學(xué)穩(wěn)定性和易于處理等優(yōu)點(diǎn)。

石榴石型快速Li導(dǎo)電氧化物L(fēng)i7-xLa3Zr2-xTaxO12（x=0.4-0.5，LLZTO）由于其良好的離子導(dǎo)電性和高電化學(xué)穩(wěn)定性而被認(rèn)為是固態(tài)電解質(zhì)的良好候選物。然而，這種氧化物通常需要1000-1200℃的高溫?zé)Y(jié)來(lái)致密化，并且因?yàn)闊Y(jié)溫度太高，使得固態(tài)電解質(zhì)與大多數(shù)電極材料之間界面處發(fā)生的副反應(yīng)無(wú)法被有效抑制。因此，目前只有少數(shù)有限的幾種電池材料可用于共燒工藝開發(fā)具有石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池。

RyojiInada和他在豐橋技術(shù)大學(xué)電氣與電子信息工程系的同事通過(guò)使用氣溶膠沉積（AD）方法成功地在石榴石型LLZTO上制造三釩酸鋰（LiV3O8，LVO）厚膜陰極。制備全固態(tài)電池樣品并使用制造的復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試。

已知AD方法是室溫膜制造工藝，其使用陶瓷顆粒在基板上的沖擊固結(jié)。通過(guò)控制粒度和形態(tài)，可以在各種基材上制造致密的陶瓷厚膜而無(wú)需熱處理。該特征在氧化物基固態(tài)電池的制造中是有吸引力的，因?yàn)榭梢栽诠腆w電解質(zhì)上選擇和形成各種電極活性材料而不進(jìn)行熱處理。

目前長(zhǎng)期研究的LVO材料已經(jīng)被用作為下一代鋰基電池的陰極材料，因?yàn)槠銵i存儲(chǔ)容量大約為300mAh/g。然而，LVO作為固態(tài)電池陰極的可行性研究尚未開展。LVO的反應(yīng)在放電（即Li插入）過(guò)程中開始，這與LiBs的其它常規(guī)陰極材料如LiCoO2，LiMn2O4和LiFePO4不同。因此，廣泛用于電流LiB的石墨陽(yáng)極難以用于具有LVO陰極的電池中。在具有石榴石型固體電解質(zhì)的固態(tài)電池中，Li金屬電極可能用作陽(yáng)極;因此，LVO將成為高容量陰極的有吸引力的候選者。

為了在LLZTO顆粒上制造致密的LVO膜，通常利用球磨工藝控制LVO顆粒的尺寸。結(jié)果，室溫下在LLZTO上成功制造了厚度為5-6μm的LVO厚膜。LVO厚膜的相對(duì)密度約為85％。對(duì)于作為陰極的LVO厚膜的電化學(xué)表征，將Li金屬箔附著在LLZTO粒料的相對(duì)端面上作為陽(yáng)極，以形成LVO/LLZTO/Li結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池。在50和100℃下測(cè)量LVO/LLZTO/Li全固態(tài)電池中的恒電流充電（從LVO中提取Li）和放電（Li插入到LVO中）性質(zhì)。

盡管極化在50℃時(shí)相當(dāng)大，但確認(rèn)了可逆容量約為100mAh/g。隨著溫度升高到100oC，在平均電池電壓約為2.5V時(shí)，極化率降低，容量顯著增加到300mAh/g;這是在有機(jī)液體電解質(zhì)中觀察到的LVO電極的典型行為。此外，我們確認(rèn)固態(tài)電池中的充放電反應(yīng)在各種電流密度下均可以穩(wěn)定地循環(huán)。這可歸因于通過(guò)沖擊固結(jié)制造的LVO膜與膜中的LLZTO和LVO顆粒之間的強(qiáng)粘附性。

這些結(jié)果表明，LVO可以潛在地作為用作氧化物基固態(tài)電池中的高容量陰極材料，具有高安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，雖然這需要對(duì)其進(jìn)一步研究以提高性能。研究人員正在持續(xù)進(jìn)行研究，以期在較低的工作溫度下實(shí)現(xiàn)基于氧化物的固態(tài)電池。