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科學(xué)家發(fā)現用于固態(tài)鋰離子電池的新型電解質(zhì)
新型電池材料為全固態(tài)電池的發(fā)展提供了希望。
在尋找完美電池的過(guò)程中，科學(xué)家有兩個(gè)主要目標：制造一款可以?xún)Υ娲罅磕芰康脑O備，并確保使用這款設備的安全性。許多電池都含有液體電解液，但電解液可能是易燃的。
因此，完全由固體成分組成的固態(tài)鋰離子電池對科學(xué)家越來(lái)越有吸引力，因為它們提供了更高的安全性和更高的能量密度的誘人組合——即電池在給定容量下可以存儲的能量。
如圖所示的氯基電解質(zhì)為固態(tài)鋰離子電池提供了更好的性能。（圖片由Linda Nazar/滑鐵盧大學(xué)提供）
來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的研究人員是儲能研究聯(lián)合中心（JCESR）的成員，總部位于美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗室，他們已經(jīng)發(fā)現了一種新型固態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)展現了幾個(gè)非常重要的優(yōu)勢。
該固態(tài)電解質(zhì)由鋰、鈧、銦和氯組成，雖然可以很好地傳導鋰離子，但傳導電子很差。這種組合對于制造全固態(tài)電池來(lái)說(shuō)是必不可少的，研究發(fā)現在高壓（大于4伏）情況下超過(guò)百次循環(huán)和在中等電壓下循環(huán)數千次，都沒(méi)有明顯損失容量。電解質(zhì)氯在4伏以上的工作條件下成為穩定性的關(guān)鍵，這意味著(zhù)氯適用于構成當今鋰離子電池主體的典型陰極材料。
滑鐵盧大學(xué)著(zhù)名的化學(xué)研究教授Linda Nazar表示：“固態(tài)電解質(zhì)的主要吸引力在于不會(huì )引起火災，可以有效地放置在單元電池中。我們很高興可以展示穩定的高壓運行?！?
目前固態(tài)電解質(zhì)的迭代重點(diǎn)專(zhuān)注在硫化物上，硫化物在超過(guò)2.5伏的電壓下會(huì )氧化、分解。因此，它們需要在工作電壓高于4伏的陰極材料周?chē)尤虢^緣涂層，但這樣會(huì )削弱電子和鋰離子從電解質(zhì)移動(dòng)到陰極的能力。
Nazar說(shuō)：“關(guān)于硫化物電解質(zhì)，有一個(gè)難題，如果想要通過(guò)電子方式將電解質(zhì)與陰極分離，陰極就不會(huì )發(fā)生氧化反應，但仍舊需要陰極材料具有電子導電性?！?/p>
然而，Nazar的團隊并不是第一個(gè)設計出氯化物電解質(zhì)的人，但基于該研究團隊前期工作，證明了將一半銦換成鈧在更低的電子和更高的離子電導性方面是正確的。Nazar說(shuō)：“氯化物電解質(zhì)之所以變得更加具有吸引力，是因為它只會(huì )在高電壓的情況下氧化，某些電解質(zhì)在化學(xué)上可以與我們現有的最好的陰極兼容。最近已經(jīng)有了一些相關(guān)報道，但我們的設計具有明顯優(yōu)勢?！?/p>
離子導電性的一個(gè)化學(xué)關(guān)鍵在于一種被稱(chēng)為尖晶石的縱橫交錯的3D結構的材料。研究人員必須平衡兩種相互競爭，不僅使可能多的帶電荷離子填充尖晶石，還要讓離子的移動(dòng)通道保持開(kāi)放。Nazar說(shuō)：“你或許可以想象成是在主持一場(chǎng)舞會(huì )，你想讓人們來(lái)，但又怕太過(guò)擁擠?！?/p>
根據Nazar的說(shuō)法，理想的狀態(tài)是尖晶石結構中有一半的位置被鋰占據，而另一半依舊處于開(kāi)放狀態(tài)，但這是非常難實(shí)現的。
此外，除了鋰具有良好的導電性外，Nazar和她的同事還需要確保電子不會(huì )輕易通過(guò)電解質(zhì)在高壓下引發(fā)分解。Nazar說(shuō)：“想象一下跳房子的游戲。即使你只是想從第一個(gè)方塊跳到第二個(gè)方塊，如果你能創(chuàng )造出一堵墻，讓電子很難跳過(guò)去，在我們的例子中，這是這種固體電解質(zhì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)?！?/p>
Nazar說(shuō)目前尚不清楚為什么電子導電率低于之前報道的許多氯化物電解質(zhì)，但它有助于在陰極材料和固體電解質(zhì)之間建立一個(gè)清潔的界面，這一事實(shí)在很大程度上是穩定性能的原因，即使陰極中含有大量活性材料。
