由于鋰金屬具有較高的比容量和較低的氧化還原電位，因此極有希望成為最終的負(fù)極選擇。然而，將金屬鋰加工成具有高電化學(xué)性能和良好安全性的薄膜負(fù)極以匹配商業(yè)正極仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在商業(yè)可買到的鋰都是很厚的，一般都是200-400微米厚，在當(dāng)前的電池研究中來說是大大過量的。要實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池商業(yè)化的話，必須將其做??！胡良兵教授等人在Advanced Materials上發(fā)表了Stamping Flexible Li Alloy Anodes。本文報(bào)道了一種直接沖壓金屬溶液在多種基底上制備各種形狀的超薄、柔性和高性能Li-Sn合金負(fù)極的新方法。印刷的負(fù)極薄至15 μm，對(duì)應(yīng)的面積容量≈3 mAh cm-2，與大多數(shù)商業(yè)正極材料相匹配。Sn的加入為L(zhǎng)i提供了形核中心，從而緩解了Li枝晶，并降低Li剝離/沉積過程中的過電位(0.25 mA cm-2下<10mV)。作為概念驗(yàn)證，使用超薄Li-Sn合金負(fù)極和商用NMC正極的柔性鋰離子電池即使在反復(fù)變形后也表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能和可靠的電池運(yùn)行。該方法可以推廣到其他金屬/合金負(fù)極，如Na、K和Mg。這項(xiàng)研究為下一代電池的高性能超薄合金負(fù)極的發(fā)展打開了一扇新的大門。Stamping Flexible Li Alloy Anodes，Adv. Mater. 2021, 2005305.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202005305
2、Advanced Materials: 高溫超快燒結(jié)電解質(zhì)
與傳統(tǒng)的液體或凝膠電池相比，固態(tài)電池(SSB)具有更好的安全性和潛在更高的能量密度。然而，固態(tài)電池的制造非常麻煩，需要高溫?zé)Y(jié)，這一過程非常耗能并且過程緩慢，尋找其他的快速燒結(jié)的技術(shù)將有助于加速固態(tài)電池的發(fā)展。胡良兵團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表文章，報(bào)道了一種通用且簡(jiǎn)便的方法，可在幾秒鐘內(nèi)在高溫下在各種基材（Al2O3板、鈦、不銹鋼和碳紙等）上燒結(jié)一系列陶瓷SSE的3D多孔支架（LLZTO、LATP和LLTO）。高溫使快速反應(yīng)燒結(jié)成為所需的結(jié)晶相，并加速晶粒的表面擴(kuò)散；同時(shí)，較短的燒結(jié)時(shí)間限制了粗化，從而準(zhǔn)確控制致密化程度以保持所需的多孔結(jié)構(gòu)，并減少揮發(fā)性元素的損失。作為概念驗(yàn)證，通過將聚（環(huán)氧乙烷）與這種3D多孔支架（LLZTO）集成，證明了高溫快速燒結(jié)的復(fù)合SSE具有良好離子電導(dǎo)率（室溫下≈1.9×10-4 S cm-1）。這種方法為燒結(jié)用于全固態(tài)電池應(yīng)用的各種基于陶瓷SSE的3D支架打開了一扇新的大門。High-Temperature Ultrafast Sintering: Exploiting a New Kinetic Region to Fabricate Porous Solid-State Electrolyte Scaffolds, Advanced Materials, 2021.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202100726
3、ACS Energy Lett.：快速燒結(jié)含填料的固態(tài)電解質(zhì)
提高陶瓷固態(tài)電解質(zhì)(SES)的性能往往依賴于加入有效的填料。然而，由于傳統(tǒng)方法的長(zhǎng)期燒結(jié)會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性成分的嚴(yán)重?fù)p失，填料的選擇往往局限于少數(shù)幾種高度穩(wěn)定的填料。胡良兵教授等人在ACS Energy Letters上報(bào)道了一種具有揮發(fā)性填料的固態(tài)電解質(zhì)超快速燒結(jié)方法，使其成為致密和高性能的薄膜。以Ta摻雜的Li7La3Zr2O12 (LLZTO)為模型體系，燒結(jié)了Li3N/LLZTO復(fù)合SSE材料，其相對(duì)密度更高，離子電導(dǎo)率更高，而電子電導(dǎo)率較原始LLZTO降低。傳統(tǒng)的方法不能在沒有嚴(yán)重?fù)p失的情況下加入Li3N，與之相比，本文超快液相燒結(jié)方法，在~ 1600 K的情況下，僅用20 s就獲得了高密度的Li3N/LLZTO膜。作者避免了Li3N的揮發(fā)(在~ 1600 K時(shí)仍為液相)，Li3N填補(bǔ)了空隙和針孔，并使顆粒濕潤，使其形成致密的微觀結(jié)構(gòu)。Ultrafast Sintering of Solid-State Electrolytes with Volatile Fillers. ACS Energy Lett. 2021, 6, 11, 3753–3760https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01554
4、Advanced Science：金屬粉末的快速合成與燒結(jié)
粉末冶金是一種廣泛使用的技術(shù)，用于從粉末制造金屬部件。與傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)（如鑄造）不同，粉末冶金不需要金屬完全熔化，因此它特別適合制造高溫材料。傳統(tǒng)的粉末冶金，如金屬注射成型（MIM），通常使用巨大的爐將壓縮體燒結(jié)成致密的組件，這需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的燒結(jié)時(shí)間。最近，電流輔助燒結(jié)技術(shù)，包括SPS、閃光燒結(jié)、熱壓和電燒結(jié)鍛造，已被應(yīng)用于快速燒結(jié)金屬和陶瓷，并顯著縮短燒結(jié)時(shí)間。然而，這些方法通常需要特殊的模具來保存樣本，這限制了樣本大小和幾何形狀，以及復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。為了確保石墨模具和樣品顆粒之間的良好電接觸，通常需要少量導(dǎo)電墨水或金屬電極（如Pt），這進(jìn)一步使燒結(jié)過程復(fù)雜化。此外，在燒結(jié)金屬樣品時(shí)，通過樣品的高電流可能導(dǎo)致電流引起的結(jié)構(gòu)不均勻。胡良兵課題組開發(fā)了一種超快高溫?zé)Y(jié)（UHS）方法，可以直接在≈10s內(nèi)從前體粉末中快速合成和燒結(jié)陶瓷（例如固態(tài)氧化物電解質(zhì)）。在本研究中，作者擴(kuò)展了UHS方法，從單質(zhì)粉末或預(yù)合金粉末的壓縮體中快速燒結(jié)各種金屬/合金。在典型的UHS工藝中，生坯被兩個(gè)碳加熱器緊緊夾在中間，通過焦耳加熱為均勻的燒結(jié)提供了均勻的高溫環(huán)境（高達(dá)3000 °C）。由此產(chǎn)生的超高溫可以迅速燒結(jié)各種金屬，包括熔點(diǎn)特別高的金屬，形成厚度為≈1毫米的圓片，經(jīng)過短暫拋光后具有閃亮和致密的結(jié)構(gòu)。高度可控的短加工時(shí)間（10-30s）可以很好地控制燒結(jié)材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)。作者成功地?zé)Y(jié)了各種金屬和合金，包括銅、鋼、耐火金屬和金屬間化合物。在該UHS技術(shù)中，不需要特殊的模具來保存樣品，通過樣品顆粒的電流可以忽略不計(jì)。此外，碳?xì)旨訜岵糠挚梢詫?shí)現(xiàn)快速加熱和冷卻，這有利于細(xì)化顆粒，從而提高機(jī)械性能。此外，該UHS技術(shù)還能夠?qū)崟r(shí)、直接地觀察燒結(jié)過程，從而可以就地快速調(diào)整燒結(jié)溫度和時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)良好的燒結(jié)。這也是更好地研究燒結(jié)機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵特征。該技術(shù)可以為粉末冶金提供通用的快速燒結(jié)，并極大地加速合金材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展。Rapid Synthesis and Sintering of Metals from Powders. Adv. Sci. 2021,8, 2004229.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202004229
5、Materials Today：快速加熱，調(diào)控固態(tài)電解質(zhì)晶界
由于常規(guī)燒結(jié)方法缺乏對(duì)晶粒生長(zhǎng)的精細(xì)控制，鋰電池致密均勻的固態(tài)電解質(zhì)的合成具有挑戰(zhàn)性。使用這些技術(shù)，通常會(huì)發(fā)生異常晶界生長(zhǎng)，并伴有污染物和空隙，通常會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)具有高電阻率、穩(wěn)定性差和枝晶穿透風(fēng)險(xiǎn)。胡良兵教授等人報(bào)告焦耳加熱的新型高溫（1500 K）和快速燒結(jié)（30 s）工藝，通過焦耳加熱，可以調(diào)控晶粒和致密化，從而形成高質(zhì)量、高性能的固態(tài)電解質(zhì)膜。高溫有助于快速去除雜質(zhì)，在幾秒鐘內(nèi)形成密集均勻的微觀結(jié)構(gòu)。與燒結(jié)前的固態(tài)電解質(zhì)粉末相比，短燒結(jié)時(shí)間提供了可控的晶粒生長(zhǎng)，晶粒尺寸和分布幾乎保持不變。通過煅燒摻Ta的Li7La3Zr2O12（LLZTO）石榴石粉，作者表明快速燒結(jié)前后的粒度分布幾乎相同（兩者均為4微米），同時(shí)有效地消除了缺陷（如空隙和間隙）和雜質(zhì)。由此產(chǎn)生的高質(zhì)量膜具有良好的離子導(dǎo)電性（室溫下6.4×10-4 S cm-1）和鋰循環(huán)期間的優(yōu)異穩(wěn)定性（0.2 mA cm-2，>300小時(shí)），使其適用于鋰電池的應(yīng)用。這種高溫快速燒結(jié)方法可以進(jìn)一步擴(kuò)展到各種陶瓷鋰離子導(dǎo)體，以應(yīng)對(duì)固態(tài)電池的未來發(fā)展。Tailoring grain growth and densification toward a high-performance solid-state electrolyte membrane, Materials Today, 2021, 42, 41-48.https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.10.002.
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