使用冷等静压机的优点是什么？提高固态电解质质量

与轴向压制相比，冷等静压（CIP）的主要优势是通过液体介质施加均匀、各向同性的压力。 而轴向压制仅从一个方向施加力，常常导致内部应力和不均匀压实，CIP 则消除了这些压力梯度。这使得固态电解质生坯具有优异的均匀性、显著更高的密度，并降低了后续加工过程中失效的风险。

核心要点 轴向压制对于初始成型是有效的，但由于摩擦和单向力，常常会产生密度梯度。CIP 通过从所有方向施加相等的压力来解决这个问题，从而最大化相对密度（对于 Ga-LLZO 等材料可达 95%），并确保烧结过程中收缩均匀，直接提高电解质的离子电导率和机械强度。

压力施加的力学原理

标准的实验室液压机采用轴向压制，即力单向施加（自上而下或自下而上）。这会在粉末压坯内部产生显著的内部压力梯度。相比之下，CIP 将生坯密封在柔性模具中，并将其浸入液体介质中，从各个角度均匀传递压力（高达 300 MPa）。

轴向压制的一个主要限制是粉末与刚性模壁之间的摩擦，这会导致密度分布不均。CIP 完全消除了这种摩擦，因为流体压力作用在柔性模具表面而不是刚性容器上。这使得密度更加均匀，无需使用模壁润滑剂，消除了烧结过程中润滑剂污染的风险。

由于轴向压制会不均匀地填充粉末，因此产生的生坯通常包含不同密度的区域。CIP 确保电解质颗粒在整个体积内达到高度均匀的压实状态。这种结构一致性对于最小化可能导致断裂的内部应力至关重要。

CIP 的超高、多方向压力能有效压实内部空隙和孔洞。通过最大化颗粒间的接触，CIP 显著提高了生坯密度，与仅使用单轴压制相比，这是无法实现的。

生坯的质量决定了烧结过程的成功与否。由于 CIP 生产的坯体密度均匀，因此在高温烧结过程中会均匀收缩。这大大减少了翘曲、变形和微裂纹的发生，而这些是轴向压制的颗粒由于内部密度不均而常见的问

CIP 带来的卓越压实效果使得陶瓷电解质的最终相对密度更高——Ga-LLZO 记录高达 95%，LATP 超过 86%。更致密的陶瓷直接转化为更高的离子电导率和改善的机械完整性。通过改善电解质与电极之间的物理兼容性，延长了材料的电化学使用寿命。

需要注意的是，CIP 很少是用于松散粉末的独立成型工艺。通常需要先进行轴向压制来形成初始形状（预制件或坯料）。然后使用 CIP 作为二次处理步骤，将该预制件压实到其最大潜力。

CIP 涉及液体罐、柔性模具和密封步骤，使其成为一种批次工艺，通常比轴向压制的快速循环时间更慢、更复杂。然而，对于高性能固态电解质而言，性能的提升通常会抵消增加的加工时间。

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对于固态电解质而言，仅依赖轴向压制是一种妥协；结合使用 CIP 是生产高密度、无缺陷且能够实现长期电化学性能的陶瓷的决定性方法。

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Natalia B. Timusheva, Artem M. Abakumov. Chemical compatibility at the interface of garnet-type Ga-LLZO solid electrolyte and high-energy Li-rich layered oxide cathode for all-solid-state batteries. DOI: 10.1038/s41598-024-78927-w

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .