一種新型固態電解質—石榴石型超離子導體

材料牛注：日本科學家已經研發出一種超離子導體氧化物作為可充電全固態鋰電池的電解質。這一研究成果將加速下一代高能量密度固態電池的誕生。

鑒于自身高能量密度、高安全性能和優異的循環穩定性，可充電的全固態鋰電池將成為下一代能量存儲設備之一。用于固體電解質的材料不僅必須具有較高的離子傳導率—室溫下高于1mS/cm，還必須具有好的化學穩定性。

氧化物基的固體電解質在諸多方面都要優于硫化物基材料。例如化學穩定性好，易于處理。然而將其廣泛應用也面臨巨大挑戰—固體電解質與固體電極之間電阻較高。解決這一關鍵問題才能制備出電化學性能優異的氧化物基SE固態電池。

在這項研究中，現就任于豐橋技術科學大學的Ryoji Inada以及他的同事，共同開發出了一種石榴石型氧化物作為全固態電池的固體電解質。他們使用這種材料，制造出了可充電的全固態電池，并進行了測試。

該研究小組系統地測定了對Li7La3Zr2O12 (LLZO）進行陽離子（Ba2+和Ta5+）取代后，其在晶相，微觀結構和離子導電性能方面的變化情況。為了穩定高導電性的立方石榴石相，化學式中的Li含量設定在6.5，該化合物的化學式可表示為Li6.5La3-xBaxZr1.5-xTa0.5+xO12 (LLBZTO)。

其結果是：石榴石型LLBZTO中Ba和Ta的取代含量分別為0.1和1.6時，得到室溫下最高的電導率—0.83mS/cm。LLBZTO的活化能隨著Ba取代量的增加而降低。然而，Ba和Ta取代量過多時，LLBZTO的導電性下降。

此外，他們還證實：石榴石型LLBZTO具有較寬的電化學勢窗。因此多種正負電極材料都可以用來構建全固態電池。他們使用氣溶膠沉積法在LLBZTO上制造了一層TiNb2O7(TNO）薄膜電極，并用TNO/LLBZTO/Li全固態電池演示了其充電和放電反應。

結果表明：這種石榴石型LLBZTO可以作為全固態電池的電解質，為研發出可用于大規模使用的、安全系數極高的可再充電電源奠定了基礎。然而，為了研發出能量密度更高，性能更好的全固態電池，研究人員還需投入更多的精力。

參考原文鏈接：Garnet-type fast ionic conductor for all-solid-state lithium battery

文獻鏈接：Development of Lithium-Stuffed Garnet-Type Oxide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity for Application to All-Solid-State Batteries

本文由編輯部王宇提供素材，畢瑜編譯，王思迪審核， 點我加入材料人編輯部。