圖1：氣固反應(yīng)燒結(jié)法制備織構(gòu)鋰陶瓷及其內(nèi)部離子傳輸示意圖。
為解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出利用氣固反應(yīng)燒結(jié)法制備得到了具有織構(gòu)特征（織構(gòu)：多晶體中晶粒的排列或晶體學(xué)取向在某些方向上呈現(xiàn)規(guī)則性排列）的陶瓷電解質(zhì)（Li7La3Zr2O12，LLZO）以及電極材料（（Li2MnO3, LMO和LiCoO2, LCO）。所有材料內(nèi)部均由垂直于表面的大尺寸柱狀晶組成，其中單個(gè)LLZO晶粒直徑超20 μm，長(zhǎng)度可達(dá)100 μm以上。除此之外，兩種電極材料還具有面外織構(gòu)的晶體學(xué)取向特征。
得益于晶粒形貌以及晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，鋰離子在電解質(zhì)和電極中的傳輸只需通過(guò)單個(gè)晶?；蜓剡B續(xù)的晶界進(jìn)行，避免了垂直穿越晶界的過(guò)程。因此，陶瓷電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提升了40倍以上，電極材料的離子傳輸性能也提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還通過(guò)蒙特卡洛模擬以及有限元分析得到了理論支撐與驗(yàn)證。
團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析與理論研究，提出氣固反應(yīng)燒結(jié)法中柱狀晶的形成是由于陶瓷素坯表面到內(nèi)部的氣體濃度梯度，而電極材料中存在的晶體學(xué)取向則歸因于吸附能的差異。氣固反應(yīng)燒結(jié)法的提出與機(jī)理解釋?zhuān)粌H為制備織構(gòu)陶瓷材料提供了一種新方案，也為提升陶瓷材料電化學(xué)性能提供了一種可靠途徑。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（上科大物質(zhì)學(xué)院）：科研進(jìn)展|上科大物質(zhì)學(xué)院劉巍課題組開(kāi)發(fā)氣固反應(yīng)燒結(jié)法成功制備織構(gòu)導(dǎo)鋰陶瓷
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