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研究人員以溶液為基礎合成固態電解質 推進固態電池商業化

鉅大LARGE  |  點擊量:772次  |  2020年04月20日  

比起易燃的有機電解液,固態無機電解質本身不易燃;而且,用鋰金屬代替石墨作為負極,可使電池的能量密度大幅提升(高達10倍)。因此,固態電池有望成為電動汽車的突破性技術。然而,要將固態電池推向市場,仍面對很大的問題,即如何制造出既堅固耐用又足夠薄的電解質,來作為良好的離子導體。在理想情況下,這些電解質應該只有幾十微米厚,類似于今天鋰離子電池的隔板,但是大多數固體電解質采用的是陶瓷材料,假如做得太薄,很容易破碎。


據外媒報道,加州大學圣地亞哥分校材料科學家PingLiu,以及馬里蘭大學和加州初創公司LioxPower研究人員,開發了一種制造固態電池電解質的新技術。在制造過程中,通過對溶液進行干燥,形成離子導電復合材料,這種材料可同時作為電解質和正極涂層。


該電解質溶液是一種含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究團隊通過多種方式來合成這種材料,包括使用不同的親核試劑、溶劑和機械支持物,但最關鍵的起始成分總是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所出現的β-Li3PS4溶液很清澈,在干燥時形成非常均勻的電解質層,可以直接沉積在硫化鋰正極上。Liu說:“我們通過持續的過程來制造電池,而不要分別制造單獨的層體,所以,不必費力處理非常薄的材料。”


傳統鋰離子電池和固態電池制造技術,通常是將單層電解質堆疊組合在一起。這種能源密集型技術,要用球磨機混合粉末與粘合劑,然后將其鑄造成板材,再通過高溫和高壓平臺,進行燒結或壓制。Liu的方法解決了這些問題。另外,研究人員對β-Li3PS4溶液進行調整,以防止枝晶生長,從而打造更安全的電池。


鋰枝晶的形成,是由于電場不均勻、表面化學或其他原因,導致鋰離子在負極表面發生不均勻沉積,從而形成針狀突起。假如任由枝晶形成,就會引起火災。CSIRO的Best稱:“負極上長出來的枝晶,與正極接觸,會引起局部過熱,溫度可能高達1500到2000攝氏度。”研究團隊開發的電解質,可與枝晶自發反應,形成惰性產物,有助于防止電池短路。Liu說:“這與傷口上長疤的過程非常相似。因此,我們稱它為一種自我愈合和自我形成的機制。”


目前為止,研究人員已經為這種獨特的電解質制造技術申請了五項專利。研究團隊希望,在未來兩至三年內,以每千瓦時低于100美元的成本,制造出容量為2Ah的固態電池工作原型,接近今天大多數智能手機電池的容量,進一步推進固態電池的商業化進程。


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