日本產業技術綜合研究所(AIST)成功地將氧化物系固態電解質的離子傳導率提升至可與鋰離子電池(LiB)液態電解液相當的水準。氧化物固態電解質本身具有優異的化學穩定性,此成果可望推動全固態電池的突破性發展。
AIST研究團隊採用火花電漿燒結(Spark Plasma Sintering)製程以製作緻密的固態電解質。在製程中,將粉末材料填充於石墨製治具中並加壓,同時通電使材料從內部快速發熱,形成幾乎無孔隙的高密度燒結體。這種緻密結構可避免晶粒間空隙阻礙鋰離子的遷移。
此次研究以鋰-鑭-鈮氟化物(Li-La-Nb-O-F)的燒綠石型(Pyrochlore-type)固態電解質為材料,在火花電漿燒結後,達到理論密度的98%,形成幾乎無間隙的固態電解質。經測試,燒結體整體的離子傳導率為11 mS/cm,固態電解質可達15 mS/cm,與一般LiB液態電解液相當。此外,即使在-100℃低溫下,傳導率下降也非常有限,因此在極地或太空環境下具備應用潛力。
雖然氧化物系固態電解質具有化學穩定性,但離子傳導率偏低,而硫化物系雖先行應用,但反應性高、製造困難。此次的研究成果提供了一項高傳導率又穩定的氧化物材料。今後AIST將進行全固態電池的單體設計與電池性能評估,以推動材料在實用化電池中的應用。