终结高温痛点：冷烧结技术如何加速固态电池量产进程？

Part.01

低温致密化丨固态电解质工艺创新趋势

在氧化物固态电解质的制备中，实现材料的高密度化和低成本制造是关键挑战。低温致密化烧结技术应运而生，其核心在于结合不同的外场作用来驱动材料致密化，从而避免传统高温烧结带来的材料降解和高能耗问题。

当前主要的低温致密化技术包括：

在这些技术中，冷烧结技术（CSP）因其操作相对简便、设备要求低以及能实现极限低温烧结的优势，受到了固态电池领域的广泛关注。

Part.02

冷烧结技术（CSP）的机理与发展

1.发展历程

冷烧结技术早在 1970年代已有萌芽。直到 2016年，美国宾夕法尼亚州立大学的 Clive Randall 教授团队正式命名了 CSP 工艺，并系统提出了其核心的“溶解-沉淀”机制。他们成功在 300℃以下的温度和单轴压力下，制备出高致密度的陶瓷材料（图1 ：冷烧结技术发展历程）。

2.核心致密化机理

冷烧结的致密化过程通常分为两个阶段（图 2）：

图2  冷烧结的致密化机理示意图

Angewandte Chemie International Edition, 2016, 55(38): 11457.

一阶段（加压与润湿）： 在室温加压过程中，陶瓷粉体在瞬态液相作用下均匀润湿，颗粒表面形成液膜。液膜充当润滑剂，加速颗粒的局部溶解、重排和滑移，提高压实密度。

第二阶段（加热与致密化）： 在恒定压力下加热并保温，这是致密化的关键。主要机制包括：

溶解-沉淀： 对于水溶性好的陶瓷粉体，颗粒溶解后，通过溶液传输在颗粒接触点或孔隙处沉淀，实现致密化和晶粒生长。

塑性变形： 通过黏性流动或位错运动，在压力和低温热活化下发生塑性变形，填充孔隙。

图3  冷烧结过程的图解、光热发电的烧结机理与基于阻抗分析的致密化动力学解释

此外，研究人员也可通过阻抗分析等手段，对冷烧结过程中的致密化动力学进行深入解析。

Part.03

CSP在固态电池中的应用优势与实例

1.性能对比与材料优势

与传统高温烧结（HTS）相比，CSP在制备 NASICON型氧化物电解质（如 LATP）时优势显著（图 4）。

图4  CSP与HTS方法烧结球团对比

• 高致密度与低收缩： 采用 CSP750-LATP（冷烧结后 750℃退火）的球团致密化程度高达 99.6%，远高于 HTS-LATP的95.5%，且径向收缩更小，有利于制备更大尺寸的陶瓷电解质。

• 抑制副反应：CSP结合后退火的方法，退火温度远低于传统烧结，能够很大程度地避免锂的挥发和二次相的产生，获得更高的锂离子电导率（图 5）。

图5  CSP和后退火实现了致密化LATP陶瓷球团Schematic diagram of preparing LATP ceramic pellets through CSP-Post annealing method.

2.实际应用与电化学性能

研究表明，采用冷烧结技术制备的氧化物固态电解质及全固态电池展现出优异的电化学性能。

图6 冷烧结技术制备的氧化物固态电解质及全固态电池的电化学性

它们不仅可在室温下实现高容量，而且具备高倍率性能，优于多数采用 LLZO 型电解质的固态电池（ASSB），具有实际应用前景。

表： CSP冷烧结技术在固态电池中的应用分布

Part.04

产业化核心挑战与未来展望

目前，冷烧结工艺处于中试探索阶段，宾夕法尼亚州立大学是该技术研发的核心推动者。虽然技术优势明显，但走向大规模产业化仍面临以下挑战：

1. 工艺成熟度与设备瓶颈：

• 当前工艺多限于实验室小尺寸，缺乏适用于连续、大规模生产的工业级装备

• 所需的较高工艺压力（如 ≥300Mpa）对设备成本和耐久性提出了高要求，是制约其普及的关键因素。

2. 材料体系的普适性：

• CSP高度依赖瞬态液相的选择。成功的案例主要集中在 NASICON型氧化物（如 LATP）。

• 开发适用于石榴石型 (LLZO)、以及硫化物、卤化物等更广泛固态电解质体系的通用冷烧结工艺配方，是扩大其应用范围的前提。

3. 成本与性能的平衡：

• 尽管低温烧结节省能耗，但高压设备投入、溶剂处理及后续退火等环节可能会增加整体制造成本。

• 复合电解质中聚合物相的长期稳定性以及与金属锂负极的兼容性等长期循环性能，仍需大量验证。