電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
當前主流鋰電池使用液態電解質，這存在起火等安全隱患，且特定體積內能夠儲存的能量有限。但能處理這些問題的下一代固態鋰電池仍存在很多尚未攻克的難題。八月二十一日，頂級學術期刊《Matter》刊登我國科學技術大學的馬騁教授和他的合作者最新成果，他們提出來一種新策略，可以有效處理下一代固態鋰電池中電極材料和固態電解質接觸差這一關鍵問題，合成出的固態復合物電極展現出優異的容量和倍率性能。
用固態電解質替換傳統鋰電池中的有機液態電解質可以極大緩解安全問題，且有望沖破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流電極材料也是固態物質。由于兩種固態物質之間的接觸幾乎不可能像固-液接觸那樣充足，目前使用固態電解質的電池難以實現良好的電極-電解質接觸，電池整體性能也并不令人滿意。
“固態電池的電極-電解質接觸問題就像木桶的短板。”馬騁教授說，“近年來研究者們已經研發出多種性能優異的電極和固態電解質，但因為兩者間難以實現良好的接觸，鋰離子的傳輸效率受到很大限制。”
馬騁團隊及其合作者的辦法有望處理這個難題。通過對一種經典鈣鈦礦結構的固態電解質中的雜質相進行原子級觀測，雖然雜質和固態電解質結構迥異，研究者卻觀察到他們的原子在界面處能以相互外延的形式排布。經過一系列細致的結構和化學分解，研究者發現這一雜質相和高容量的富鋰層狀物電極結構相同。換言之，上述經典固態電解質能夠以一種高性能正極的原子結構為模板進行結晶，從而在原子尺度形成緊密的界面。
相比于通常使用的冷壓辦法，新辦法可以在原子尺度實現固態電解質和電極的充足、緊密接觸。圖中原子辨別率的電子顯微鏡照片筆直證實了這一緊密接觸。“這是個欣喜。”文章的第一作者，我國科學技術大學的碩士研究生李富振說道，“在材料中存在缺陷本來是一個很平常的現象，平常到了大部分時候會被人忽略的程度。但是，在對它們進行了細致觀測以后，我們發現了意料之外的外延行為，正是這一發現啟發了我們用于改進固-固接觸的策略。”
利用觀察結果，研究者將成分和鈣鈦礦固態電解質相同的非晶粉末在富鋰層狀物顆粒的表面做成結晶，成功地在新復合物電極中實現兩種固態材料間充足、緊密的接觸。處理了電極-電解質接觸問題，這種固-固復合物電極的倍率性能可以和和固-液復合物電極相媲美。更緊要的是，研究者們還發現這種外延的固-固接觸可以容忍很大的晶格錯配，因此他們提出的策略可適用于多種鈣鈦礦固態電解質和層狀電極。
“這項工作指明了一個值得探索的新方向。”馬騁教授說，“將這種原理使用到其他緊要材料中也許能開發出更好的電池性能，引出更加有意思的科學問題。我們對此相當期望。”研究團隊將沿著這個方向持續探索，并將他們提出的策略使用到其他高容量、高電位的正極中。合作團隊包括清華大學的南策文院士團隊和美國AmesLaboratory的LinZhou博士等。《Matter》是Cell出版集團下新推出的旗艦學術期刊。
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