CO2 Laser Sintering of Garnet-Type Solid-State Electrolytes

材料科学 烧结 快离子导体 选择性激光烧结 多孔性 电解质 导电体 复合材料 收缩率 化学 物理化学 电极
作者
Erika P. Ramos,Allison E. Browar,John D. Roehling,Jianchao Ye
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 3392-3400 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.2c01630
摘要

The processing of garnet-type solid-state electrolytes remains challenging as densification conventionally requires high sintering temperatures and long processing times, which can result in severe Li loss, the formation of secondary phases, and thus high porosity and low ionic conductivity. Here, we report an ultrafast sintering method based on CO2 laser scanning with the assistance of a heating stage. We demonstrate the rapid densification of low-packing-density Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO) films, which are difficult to densify by conventional furnace sintering methods. This unique approach has three fingerprint characteristics: (1) mitigation of Li loss through ultrafast sintering (dwelling time ≪1 s); (2) a unique anisotropic shrinkage behavior that greatly reduces film thickness; (3) wave-like surface topology from point scanning strategy that enables 3D interfacial contacts with electrode materials. Herein, highly dense (95.68%) and highly conductive (0.26 mS·cm–1 at 25 °C) LLZTO films are obtained through CO2 laser sintering. This work provides a unique, scalable, and widely applicable ultrarapid laser sintering technique to overcome the difficulties associated with classic methods for the integration of SSEs for practical all-solid-state Li-metal battery applications.
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