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科学家发现用于固态锂离子电池的新型电解质

发布时间:2022/3/23 阅读:3082

新型电池材料为全固态电池的发展提供了希望。


在寻找完美电池的过程中,科学家有两个主要目标:制造一款可以储存大量能量的设备,并确保使用这款设备的安全性。许多电池都含有液体电解液,但电解液可能是易燃的。


因此,完全由固体成分组成的固态锂离子电池对科学家越来越有吸引力,因为它们提供了更高的安全性和更高的能量密度的诱人组合——即电池在给定容量下可以存储的能量。

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如图所示的氯基电解质为固态锂离子电池提供了更好的性能。(图片由Linda Nazar/滑铁卢大学提供)


来自加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)的研究人员是储能研究联合中心(JCESR)的成员,总部位于美国能源部(DOE)阿贡国家实验室,他们已经发现了一种新型固态电解质,这种电解质展现了几个非常重要的优势。


该固态电解质由锂、钪、铟和氯组成,虽然可以很好地传导锂离子,但传导电子很差。这种组合对于制造全固态电池来说是必不可少的,研究发现在高压(大于4伏)情况下超过百次循环和在中等电压下循环数千次,都没有明显损失容量。电解质氯在4伏以上的工作条件下成为稳定性的关键,这意味着氯适用于构成当今锂离子电池主体的典型阴极材料。


滑铁卢大学著名的化学研究教授Linda Nazar表示:“固态电解质的主要吸引力在于不会引起火灾,可以有效地放置在单元电池中。我们很高兴可以展示稳定的高压运行。”  


目前固态电解质的迭代重点专注在硫化物上,硫化物在超过2.5伏的电压下会氧化、分解。因此,它们需要在工作电压高于4伏的阴极材料周围加入绝缘涂层,但这样会削弱电子和锂离子从电解质移动到阴极的能力。


Nazar说:“关于硫化物电解质,有一个难题,如果想要通过电子方式将电解质与阴极分离,阴极就不会发生氧化反应,但仍旧需要阴极材料具有电子导电性。”


然而,Nazar的团队并不是第一个设计出氯化物电解质的人,但基于该研究团队前期工作,证明了将一半铟换成钪在更低的电子和更高的离子电导性方面是正确的。Nazar说:“氯化物电解质之所以变得更加具有吸引力,是因为它只会在高电压的情况下氧化,某些电解质在化学上可以与我们现有的最好的阴极兼容。最近已经有了一些相关报道,但我们的设计具有明显优势。”


离子导电性的一个化学关键在于一种被称为尖晶石的纵横交错的3D结构的材料。研究人员必须平衡两种相互竞争,不仅使可能多的带电荷离子填充尖晶石,还要让离子的移动通道保持开放。Nazar说:“你或许可以想象成是在主持一场舞会,你想让人们来,但又怕太过拥挤。”


根据Nazar的说法,理想的状态是尖晶石结构中有一半的位置被锂占据,而另一半依旧处于开放状态,但这是非常难实现的。


此外,除了锂具有良好的导电性外,Nazar和她的同事还需要确保电子不会轻易通过电解质在高压下引发分解。Nazar说:“想象一下跳房子的游戏。即使你只是想从第一个方块跳到第二个方块,如果你能创造出一堵墙,让电子很难跳过去,在我们的例子中,这是这种固体电解质的另一个优点。”


Nazar说目前尚不清楚为什么电子导电率低于之前报道的许多氯化物电解质,但它有助于在阴极材料和固体电解质之间建立一个清洁的界面,这一事实在很大程度上是稳定性能的原因,即使阴极中含有大量活性材料。


基于该研究的论文《由氯化物固态电解质构成的高容量、长循环寿命的4V陶瓷全固态锂离子电池》在1月3日的线上版《Nature Energy》刊登。


论文的另一位作者是Nazar的研究生Laidong Zhou,滑铁卢大学学生Se Young Kim, Chun Yuen Kwok和Abdeljalil Assoud主要负责JCESR成员的工作。其他作者包括德国Justus Liebig大学的Tong-Tong Zuo和Juergen Janek教授,以及能源部橡树岭国家实验室的Qiang Zhang。


这项研究由能源部科学办公室、基础能源科学办公室资助,以及加拿大国家科学与工程研究委员会的支持。




中国化学与物理电源行业协会 杨柳


2022.3.18