背景：

石榴石結構的Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)是鋰固態(tài)電池(SSB)的一種有吸引力的電解質，但其加工需要在1000℃以上的溫度下長時間燒結才能達到足夠的離子電導率。這種燒結不僅耗時耗能，而且還會導致不良的材料相互作用。因此，大幅縮短燒結時間對于石榴石基電池的未來發(fā)展非常重要。一種有前途的方法是最近引入的光子燒結，光源位于紫外光譜中，可以在幾秒鐘內節(jié)能燒結陶瓷層。在這項工作中，使用由印刷在致密LLZO顆粒上的LLZO和LiCoO₂₍LCO)復合陰極層組成的模型電池驗證了石榴石基SSB的光子燒結。優(yōu)化的燒結程序僅需20秒即可生產出工作電池。這項研究證明了黑光燒結適用于加工石榴石基SSB，并為未來的工藝優(yōu)化提供指導。

文獻介紹：

采用固體電解質(SE)的固態(tài)電池(SSB)是一項很有前途的技術，其能量密度和最重要的安全性方面可能勝過鋰離子電池(LIB)。石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)是研究較為深入的SE之一，因為它在室溫下具有高達2Scm^?1的中等高離子電導率、寬的電化學穩(wěn)定窗口、與鋰金屬兼容、不易燃，并且工作溫度范圍廣。然而，由于其氧化物陶瓷的性質，LLZO需要致密化步驟，這通常通過在>1000℃的高溫下燒結來實現(xiàn)。高燒結溫度會激活離子擴散以形成離子電導率所需的燒結頸，但也會導致不良的界面反應。具體而言，在燒結陶瓷復合正極的過程中，正極活性材料(CAM)和LLZO之間的界面過程會導致多種有害影響，從而降低電池性能，這將在后面詳細討論。燒結過程的另一個重要方面是能耗，這在很大程度上取決于燒結方法。傳統(tǒng)的高溫工藝是將LLZO陶瓷粉末燒結成固體，在低于熔點的溫度下進行數(shù)小時，這是由于表面能降低而導致的，也是最耗能的生產步驟。在長時間加熱過程中，幾乎所有的能量都通過隔熱和通風散熱而損失。因此，燒結步驟為通過使用更高效的技術來減少能源需求提供了巨大的潛力。

為了降低能耗和不良的材料相互作用，尋找燒結時間更短的新加工技術是必要的技術步驟。先進燒結技術的例子包括微波燒結、閃速燒結、場輔助燒結/放電等離子燒結(FAST/SPS)、快速熱處理(RTP)、超快高溫燒結(UHS)、激光燒結和閃光燈燒結?；贚CO-LLZO的SSB已經使用RTP、激光燒結、FAST/SPS和UHS]成功制造。然而，這些技術有幾個限制或缺點，使得難以實現(xiàn)結合速度、簡單性、多功能性、效率和可擴展性的燒結工藝，以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產。

然而，隨著Porz等人于2022年報道的光子燒結方法的出現(xiàn)，這種情況可能會改變。該工藝使用波長在可見光和紫外光譜內的氙氣閃光燈，利用溫度相關的電磁波吸收，通過一系列毫秒長的脈沖一次性加熱整個樣品。通過這種方式，實現(xiàn)了可擴展的非接觸式燒結工藝，時間尺度為數(shù)秒，不需要復雜的設備，與傳統(tǒng)方法相比，能耗要低得多。

與RTP和激光燒結類似，光子燒結可在短短幾秒內快速輕松地完成加工。光子燒結比RTP工藝更快，后者需要幾分鐘的時間，與激光燒結一樣快，可在幾秒內完成燒結。與激光燒結相比，光子燒結的另一個優(yōu)勢是它可以一次性加熱整個樣品表面，而不是用聚焦的激光束掃描樣品表面。閃光燈燒結工藝使用恒定輻射源，可能受輻射強度和照射持續(xù)時間的影響。在脈沖模式下，脈沖長度、脈沖數(shù)和兩個脈沖之間的中斷時間可用于調整燒結條件。脈沖之間的中斷時間可用于使系統(tǒng)有時間進行熱松弛，以避免開裂和過熱，并燒結更深的層，這對于較厚的層尤其重要。傳遞到基板和大氣的熱以及燒結大氣本身是另外兩個參數(shù)。由于燒結過程中的能量傳遞很大程度上取決于材料的輻射吸收和熱導率，因此必須根據(jù)特定材料調整工藝參數(shù)。由于燒結參數(shù)的組合實際上是無限的，因此應估計重要參數(shù)對燒結性能和可能的材料降解的相對影響，以便選擇一個透視工藝窗口，這是本研究的重點。

為了測試光子燒結對加工石榴石基SSB的適用性，將包含LLZO和LiCoO₂（LCO）的復合陰極印刷在致密的LLZO顆粒（隔膜）上，然后使用多脈沖Xe閃光燈進行燒結。通過改變脈沖長度和脈沖數(shù)尋找合適的燒結參數(shù)，將燒結好的半電池貼附銦箔作為陽極組裝成全電池，分析陰極的微觀結構、相組成和電化學性能，確定石榴石基電池黑光燒結的工藝參數(shù)，為后續(xù)優(yōu)化該工藝提供指導。

引用：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.12.040

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