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錫硅替代鍺 固態電解質降低鋰離子電池成本

鉅大LARGE  |  點擊量:1244次  |  2020年07月20日  

據外媒報道,東京工業大學(TokyoInstituteofTechnology)的研究人員研發了一項新技術方法——無鍺固態電解質,可降低固態鋰離子電池的成本,并致力于將該項技術應用到電動汽車、通信及其他行業中。


無鍺固態電解質


該研究團隊在在美國化學會(ACS)期刊——《材料化學(ChemistryofMaterials)》上發表了論文,其技術方法為:采用錫與硅替代固態電解質內的鍺(germanium)元素,因為上述兩項材料的化學穩定性更強。相較于液態電解質,新材料提升了鋰離子的導電率。在談論其研究成果時,RyojiKanno與他的同事表示:“這款固態電解質不含鍺,未來或許所有固態電池都會采用該電解質。”


配有固態電解質(SEs)的全固態電池系統有望角逐新一代電池。據估計,該類電池所能供應的電量大、能源密度高、性能穩定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導體(Sulfide-basedlithium-ionconductors)的導電性高、電化學窗口(也有譯作:“電位范圍”,electrochemicalwindows)及機械性能也不錯。為此,目前許多機構都在大力研發固態電解質。


Li10GeP2S12(LGPS)是結晶硫電解質產品系列的新成員,其導電性為1.2×10?2Scm?1,可媲美有機液態電解質(organicliquidelectrolytes)。全固態電池LiCoO2/LGPS/In?Li采用LGPS電解質,其充放電性能相當出色。然而,鍺元素價格相對較貴,或將限制LGPS材料的廣泛應用。


在設計鋰離子導體時,晶體結構類型也是一項重要因素。若不同材料的結構類型相近,且固體的導電性高,那么新材料的導電性能就會更好。LGPS類結構的鋰離子擴散率高。未來,硅基及錫基的無鍺材料均可能被用作為固態電解質并得到實際應用。


新材料的原子排布被命名為LSSPS。新款無鍺材料采用的結果為Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12(Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。


全固態電池的優勢


相較于采用鋰離子導電液體的常見鋰離子電池,未來的全固態電池擁有以下優勢:安全性及可靠性得到提升,儲能量較高、使用壽命更長。


超離子導體(superionicconductors)——固態晶體(solidcrystals)的研究發現提升了鋰離子的移動速率,進而促進這類電池的研發進展,但這款前景較好的設計卻一度依賴于對稀有金屬鍺的應用,由于其價格過于昂貴,無法實現大規模應用。


Kanno表示,由于化學穩定性高且易于裝配,這款新材料提升了對固態電解質進行精細調整的可能性,進而滿足各類工業需求及消費需求。


2011年,Kanno及其團隊成員與豐田汽車、日本的高能加速研究機構(KEK)開展合作,在發表的論文中引入了結構為Li10GeP2S12(LGPS)的固態電解質。該材料在純固態電池研發競爭中占據了先手,該團隊還基于LGPS結構研發其他的固態電解質并取得了成效。


優化LGPS框架結構提升性能


在最近公布的一篇論文中,研究人員保留了相同的LGPS框架結構,對錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進行了精密調整。其研究成果LSSPS材料(成分:Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12(Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4))在室溫下的鋰離子導電性為1.1x10-2Scm-1,幾乎接近最初的LGPS結構的性能。


盡管還要進行進一步的調整,研究人員可根據其不同的用途來優化材料性能,為降低生產成本帶來了新希望,且不必犧牲材料的性能。


循環伏安圖及充放電曲線。該材料的穩定性高,充放電能力強,在20次充放電周期內,其容量保持率(capacityretention)高。


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