科學(xué)家發(fā)現(xiàn)頗具前景的新型固態(tài)鋰離子電池電解質(zhì)

來自加拿大滑鐵盧大學(xué)作為總部位于美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合儲能研究中心（JCESR）的研究成員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的固體電解質(zhì)，它具有幾個重要的優(yōu)勢。

這種電解質(zhì)由鋰、鈧、銦和氯組成，能很好地傳導(dǎo)鋰離子，但電子傳導(dǎo)性較差。這種組合對于創(chuàng)造一種全固態(tài)電池是至關(guān)重要的，這種新設(shè)計的電池在高電壓（4伏以上）下充放電一百多次，在中等電壓下執(zhí)行數(shù)千次都不會有明顯的容量損失。電解液的氯化物性質(zhì)是其在4伏以上工作條件下的穩(wěn)定性的關(guān)鍵，這意味著它適用于構(gòu)成當(dāng)今鋰離子電池主流的典型正極材料。

圖中所示的氯基電解質(zhì)正在為固態(tài)鋰離子電池提供更好的性能。圖片來源：Linda Nazar/滑鐵盧大學(xué)

滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系杰出研究教授、JCESR的長期成員Linda Nazar說："固態(tài)電解質(zhì)的主要吸引力在于它不會起火，而且可以有效地放置在電池單元中，我們很高興能夠展示穩(wěn)定的高電壓下運(yùn)行。"

目前，固態(tài)電解質(zhì)的升級瓶頸主要集中在硫化物上，而硫化物在2.5伏以上會氧化和降解。因此，它們需要在運(yùn)行電壓超過4伏的陰極材料周圍加入絕緣涂層，這損害了電子和鋰離子從電解質(zhì)中移動到陰極的能力。對于硫化物電解質(zhì)，一直以來的難題是：想在電子上將電解質(zhì)與陰極隔離，以便它不被氧化，但仍然需要陰極材料的電子傳導(dǎo)性。

雖然Nazar的研究小組不是第一個設(shè)計出氯化物電解質(zhì)的人，但他們在之前的研究工作的基礎(chǔ)上，決定將一半的銦換成鈧，這被證明是在降低電子和提高離子導(dǎo)電性方面的一個重大進(jìn)步。"氯化物電解質(zhì)已經(jīng)變得越來越有吸引力，因?yàn)樗鼈冎辉诟唠妷合卵趸矣行┡c我們擁有的最好的陰極在化學(xué)上兼容，"Nazar說。"最近已經(jīng)有一些這樣的報道，但我們設(shè)計的一個具有明顯的優(yōu)勢。"

離子導(dǎo)電性的一個化學(xué)關(guān)鍵在于該材料的縱橫交錯的三維結(jié)構(gòu)，稱為尖晶石結(jié)構(gòu)。研究人員必須平衡兩個相互競爭的愿望：在尖晶石上裝載盡可能多的攜帶電荷的離子，但也要為離子的移動留出位置。Nazar說："你可以把它想成是試圖舉辦一場舞會--你希望人們來，但你不希望它太擁擠。"理想的情況是尖晶石結(jié)構(gòu)中一半的位點(diǎn)被鋰占據(jù)，而另一半保持開放，但她解釋說這種情況很難被設(shè)計出來。

除了鋰的良好離子傳導(dǎo)性之外，Nazar和她的同事們還需要確保電子不能輕易地通過電解質(zhì)移動，以觸發(fā)其在高電壓下分解。"想象一下一個跳房子的游戲，"她說。"即使你只想從第一個方格跳到第二個方格，如果你能創(chuàng)造一堵墻，使電子（在我們的例子中）難以跳過去，這就是這種固體電解質(zhì)的另一個優(yōu)勢。"目前還不清楚為什么電子傳導(dǎo)性比以前報道的許多氯化物電解質(zhì)要低，但它有助于在陰極材料和固體電解質(zhì)之間建立一個干凈的界面，這一事實(shí)在很大程度上維持陰極中即使有大量活性材料下的穩(wěn)定性能。

一篇基于該研究的論文《氯化物固體電解質(zhì)促成的高面積容量、長循環(huán)壽命的4V陶瓷全固態(tài)鋰離子電池》出現(xiàn)在1月3日的《自然-能源》網(wǎng)絡(luò)版上。