一种新型固态电解质—石榴石型超离子导体

材料牛注：日本科学家已经研发出一种超离子导体氧化物作为可充电全固态锂电池的电解质。这一研究成果将加速下一代高能量密度固态电池的诞生。

鉴于自身高能量密度、高安全性能和优异的循环稳定性，可充电的全固态锂电池将成为下一代能量存储设备之一。用于固体电解质的材料不仅必须具有较高的离子传导率—室温下高于1mS/cm，还必须具有好的化学稳定性。

氧化物基的固体电解质在诸多方面都要优于硫化物基材料。例如化学稳定性好，易于处理。然而将其广泛应用也面临巨大挑战—固体电解质与固体电极之间电阻较高。解决这一关键问题才能制备出电化学性能优异的氧化物基SE固态电池。

在这项研究中，现就任于丰桥技术科学大学的Ryoji Inada以及他的同事，共同开发出了一种石榴石型氧化物作为全固态电池的固体电解质。他们使用这种材料，制造出了可充电的全固态电池，并进行了测试。

该研究小组系统地测定了对Li7La3Zr2O12 (LLZO）进行阳离子（Ba2+和Ta5+）取代后，其在晶相，微观结构和离子导电性能方面的变化情况。为了稳定高导电性的立方石榴石相，化学式中的Li含量设定在6.5，该化合物的化学式可表示为Li6.5La3-xBaxZr1.5-xTa0.5+xO12 (LLBZTO)。

其结果是：石榴石型LLBZTO中Ba和Ta的取代含量分别为0.1和1.6时，得到室温下最高的电导率—0.83mS/cm。LLBZTO的活化能随着Ba取代量的增加而降低。然而，Ba和Ta取代量过多时，LLBZTO的导电性下降。

此外，他们还证实：石榴石型LLBZTO具有较宽的电化学势窗。因此多种正负电极材料都可以用来构建全固态电池。他们使用气溶胶沉积法在LLBZTO上制造了一层TiNb2O7(TNO）薄膜电极，并用TNO/LLBZTO/Li全固态电池演示了其充电和放电反应。

结果表明：这种石榴石型LLBZTO可以作为全固态电池的电解质，为研发出可用于大规模使用的、安全系数极高的可再充电电源奠定了基础。然而，为了研发出能量密度更高，性能更好的全固态电池，研究人员还需投入更多的精力。

参考原文链接：Garnet-type fast ionic conductor for all-solid-state lithium battery

文献链接：Development of Lithium-Stuffed Garnet-Type Oxide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity for Application to All-Solid-State Batteries

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