实验室液压机对于形成Lisicon电解质生坯至关重要，原因何在？专家解答

高压压实是制造可用固态电解质的必要前提。实验室液压机，特别是自动或手动压片机，至关重要，因为它能对松散的LISICON粉末施加高轴向力——通常可达1吨或更高。这种力迫使颗粒重新排列并紧密堆积，排出捕获的空气，形成具有足够机械强度以供处理的致密“生坯”（通常直径为10毫米）。

液压机是连接原材料粉末和功能陶瓷的关键桥梁。通过机械强制消除空隙并建立紧密的颗粒间接触，它创造了致密的结构基础，没有这个基础，后续的烧结过程就无法成功促进晶粒生长或消除孔隙。

致密化的力学原理

松散的LISICON粉末由分离的颗粒组成，颗粒之间存在显著的间隙。液压机施加单轴压力，迫使这些颗粒进入更紧密的排列状态。

这个过程会引起粉末的塑性变形和物理重排。目标是在施加热量之前，最大化给定体积内的固体材料含量。

气穴是离子电导率的敌人。在压制过程中，高压有效地将颗粒间的空气挤出。

去除这些空气会形成生坯——一种固体、压实的颗粒。虽然尚未成为成品陶瓷，但这种生坯具有足够的机械强度，可以从模具中取出并进行处理而不会碎裂。

要使电解质正常工作，离子必须能够自由地从一个颗粒移动到另一个颗粒。压机将颗粒强制紧密接触。

距离的减小增加了颗粒间的接触面积。这种“预致密化”对于降低后续过程中的颗粒间电阻至关重要。

烧结是利用热量使颗粒融合的过程。然而，烧结无法有效地桥接大的间隙。

液压机产生的致密结构是烧结的先决条件。通过最小化颗粒间的距离，压机促进了更快的致密化速率，并确保在高温处理过程中晶粒能够无缝地生长在一起。

如果生坯过于多孔，最终的陶瓷将布满空隙。这些空隙会阻碍离子流动，并成为结构中的薄弱点。

高压压机可最大程度地减少初始孔隙率。这是防止最终电池单元中出现锂枝晶穿透等问题的一个关键因素，因为致密的电解质屏障在物理上更难被枝晶刺穿。

陶瓷在烧结时会收缩。如果起始粉末松散，收缩会很大且不均匀，导致翘曲或开裂。

通过实现高“生坯密度”（对于类似材料，通常目标是超过95%的相对密度），压机减少了加热过程中发生的收缩量。这可以防止最终电解质圆盘变形和产生微裂纹。

虽然压力是必不可少的，但施加压力的方式也很重要。如果压力不均匀，生坯将出现“密度梯度”——有些区域比其他区域更硬、更致密。

这种不均匀性会导致内部应力。在烧结过程中，这些梯度常常表现为裂纹或翘曲，使电解质失效。

压力越大不一定越好。虽然高压（在某些情况下高达500 MPa）可以实现高密度，但缺乏精度的粗暴压制可能会损坏模具或层压样品。

需要精确的压力控制来找到“最佳点”，即颗粒在不引入层状缺陷或生坯应力断裂的情况下最大程度地压实。

液压机的选择以及您使用的特定压力方案应由LISICON材料的最终目标决定。

最终，液压机不仅仅是一个成型工具；它是定义最终电解质材料潜在质量和性能极限的仪器。

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Heetaek Park, Jun‐Woo Park. A new sintering mechanism, “silver-zipping”, for low-temperature sintering of oxide solid electrolytes. DOI: 10.21203/rs.3.rs-7794794/v1

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .