随着锂金属全固态电池的研究不断深入，开发高性能固态电解质（SSE）成为技术突破的关键。苏黎世联邦理工学院的研究团队通过超快烧结（UFS）技术，成功制备了致密且具有优异电化学性能的Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）薄膜，解决了传统烧结方法中的时间与温度瓶颈，为下一代全固态电池的商业化奠定了基础。
本研究聚焦于Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）作为固态锂电池的核心材料，采用超快烧结技术（UFS）制备LLZO薄膜，突破了传统烧结法的种种局限。UFS技术通过焦耳加热，在短短45秒内于1200°C高温下对LLZO粉末进行烧结，制得厚度低于50微米、密度高达99%的薄膜。该薄膜表现出了优异的机械强度与电化学稳定性，展现出其在未来全固态电池中的应用潜力。
研究团队利用同步辐射X射线衍射（SXRD）技术对烧结过程中的结构变化进行了详细分析，同时通过X射线光电子能谱（XPS）技术评估了LLZO膜表面的化学特性，揭示了膜的相组成和表面处理对电化学性能的影响。
图1 展示了超快烧结过程中的温度曲线及膜的结构变化。研究发现，在1200°C下烧结45秒时，LLZO膜能够保持高密度和纯相立方结构（图1B），同时抗弯强度高达139 MPa（图1C），为后续的电化学应用提供了坚实基础。
图2 进一步分析了烧结过程中膜的化学变化，利用热重分析（TGA）和质谱（MS）分析探讨了LiOH的形成及其去质子化过程（图2C）。在高温条件下，Li₂CO₃的分解及其与CO₂反应生成纳米结构的LZO，成为膜性能提升的关键因素。
图3 则通过XPS技术分析了超快烧结后LLZO膜的表面成分，证明了LLZO膜表面与外界气体的反应，形成了无定形碳及Li₂O污染层。后热处理显著改善了表面质量，进一步提升了膜的电化学稳定性（图3B）。
图4 展示了LLZO膜在Li/LLZO/Li对称电池中的电化学性能。实验表明，LLZO膜在1 mA·cm-2的电流密度下展现出超过250小时的优异循环稳定性（图4B），并具有12.5 mA·cm-2的临界电流密度（CCD）。
图5 则展示了LLZO膜在全电池配置中的表现，经过300次循环后，电池容量保持率高达80%，证明了该技术在长期使用中的可靠性（图5B）。
本研究表明，超快烧结技术为高性能LLZO薄膜的制备提供了一种有效的途径。在1200°C下烧结45秒后，LLZO薄膜不仅具有高密度和机械强度，还展现出卓越的电化学性能。实验结果证明，该薄膜在Li/LLZO/Li对称电池中具有12.5 mA·cm-2的高临界电流密度（CCD）及超过250小时的循环稳定性，在全电池配置中同样表现出了优异的容量保持率和循环性能。
在实现焦耳加热和超快烧结等高效工艺的过程中，设备的精确控制和高效能是至关重要的。深圳中科精研公司致力于研发并生产高精度的焦耳加热装置，凭借其独特的技术优势，可为实验室和工业领域提供稳定、高效的热处理设备。中科精研的设备不仅能有效降低能耗，还能够在高温环境下保持优异的加热稳定性，极大地推动了材料科学及新能源领域的研究与应用。特别是在固态电池和新能源材料的研发中，深圳中科精研的设备在材料合成、烧结等关键环节中，展现出与研究中焦耳加热相似的技术优势，极具应用前景。
欢迎关注我们的公众号或访问官方网站（https://www.zhongkejingyan.com.cn/
如果您对设备有兴趣，欢迎联系张老师：13121391941
