科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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程中，科學(xué)家有兩個主要目標(biāo)：制造一款可以儲存大量能量的設(shè)備，并確保使用這款設(shè)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）阿貢國家實驗室，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新型固態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)展現(xiàn)了幾個非常重要的優(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(dǎo)鋰離子，但傳導(dǎo)電子很差。這種組合對于制造全固態(tài)電池來說是必不可少的，研究發(fā)現(xiàn)在高壓（大于4伏）情況下超過百次循環(huán)和在中等電壓下循環(huán)數(shù)千次，都沒有明顯損失容量。電解質(zhì)氯在4伏以上的工作條件下成為穩(wěn)定性的關(guān)鍵，這意味著氯適用于構(gòu)成當(dāng)今鋰離子電池主體的典型陰極材料。
滑鐵盧大學(xué)著名的化學(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引起火災(zāi)，可以有效地放置在單元電池中。我們很高興可以展示穩(wěn)定的高壓運行。”
目前固態(tài)電解質(zhì)的迭代重點專注在硫化物上，硫化物在超過2.5伏的電壓下會氧化、分解。因此，它們需要在工作電壓高于4伏的陰極材料周圍加入絕緣涂層，但這樣會削弱電子和鋰離子從電解質(zhì)移動到陰極的能力。
Nazar說：“關(guān)于硫化物電解質(zhì)，有一個難題，如果想要通過電子方式將電解質(zhì)與陰極分離，陰極就不會發(fā)生氧化反應(yīng)，但仍舊需要陰極材料具有電子導(dǎo)電性。”
然而，Nazar的團(tuán)隊并不是第一個設(shè)計出氯化物電解質(zhì)的人，但基于該研究團(tuán)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(dǎo)性方面是正確的。Nazar說：“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(xiàn)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(shè)計具有明顯優(yōu)勢。”
離子導(dǎo)電性的一個化學(xué)關(guān)鍵在于一種被稱為尖晶石的縱橫交錯的3D結(jié)構(gòu)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，還要讓離子的移動通道保持開放。Nazar說：“你或許可以想象成是在主持一場舞會，你想讓人們來，但又怕太過擁擠。”
根據(jù)Nazar的說法，理想的狀態(tài)是尖晶石結(jié)構(gòu)中有一半的位置被鋰占據(jù)，而另一半依舊處于開放狀態(tài)，但這是非常難實現(xiàn)的。
此外，除了鋰具有良好的導(dǎo)電性外，Nazar和她的同事還需要確保電子不會輕易通過電解質(zhì)在高壓下引發(fā)分解。Nazar說：“想象一下跳房子的游戲。即使你只是想從第一個方塊跳到第二個方塊，如果你能創(chuàng)造出一堵墻，讓電子很難跳過去，在我們的例子中，這是這種固體電解質(zhì)的另一個優(yōu)點。”
Nazar說目前尚不清楚為什么電子導(dǎo)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)之間建立一個清潔的界面，這一事實在很大程度上是穩(wěn)定性能的原因，即使陰極中含有大量活性材料。
