科学家发现固态锂离子电池新电解质 可显著提高性能

在寻找完美电池的过程中，科学家们有两个主要目标，即创造一种可以储存大量能量的设备，并可安全使用。许多电池含有液体电解质，而该电解质易燃。而固态锂离子电池由完全固体组件组成，具有更高的安全性和能量密度，因此科学家们对该电池非常感兴趣。其中能量密度指的是在给定体积内电池可以存储的能量。

据外媒报道，加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的研究人员，同样也是美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的储能研究联合中心（JCESR）的成员，发现一种兼具多个重要优势的新型固体电解质。

（图片来源：加拿大滑铁卢大学）

该电解质由锂、钪、铟和氯组成，可以很好地传导锂离子，但传导电子很差。这种组合对于创建全固态电池至关重要，该电池在高压（高于4伏）下可循环100次，在中间电压下循环数千次，其容量也不会显著降低。该电解质的氯化物性质是其在4伏以上工作条件下实现稳定的关键，这意味着该电解质适用于当今锂离子电池的典型阴极材料。

滑铁卢大学化学系博士、JCESR长期成员Linda Nazar教授表示：“固态电解质的主要优势是不会着火，并且可以有效地放置在电池中。很高兴，我们可以展示其稳定的高压操作。”

固态电解质的当前迭代主要集中在硫化物上，而硫化物在2.5伏以上电压会氧化和降解。因此工作电压高于4伏时，阴极材料周围会加入绝缘涂层，会削弱电子和锂离子从电解质移动到阴极的能力。

Nazar表示：“硫化物电解质的难点在于，如何使阴极材料具有电子导电性的同时，将电解质和阴极电子隔离，并保障其不会氧化。”

虽然Nazar团队并不是首批设计氯化物电解质的团队，但基于之前的研究，事实证明将一半的铟换成钪，可使电池具有更低的电子和更高的离子电导率。Nazar表示：“氯化物电解质越来越受欢迎，它不仅在只高电压下会氧化，且与最好阴极在化学上相容。”

离子电导率的一个化学关键在于材料纵横交错的3D结构，即尖晶石。研究人员必须平衡两个互斥的特性，即尽可能多地为尖晶石加载带电荷的离子，但也要让离子通过的位置保持开放。Nazar说：“这就好像举办舞会时，你既希望有人来，但希望舞会不会太拥挤。”

据Nazar表示，理想的情况是尖晶石结构中的一半位点被锂占据，而另一半保持开放，但很难设计这种情况。

除了锂具有良好的离子导电性外，Nazar及其同事还需要确保电子不能轻易地穿过电解质，以在高压下触发其分解。

Nazar称目前尚不清楚为什么新电解质的电子电导率低于许多先前报道的氯化物电解质，但该电解质有助于在阴极材料和固体电解质间建立干净的界面，因此可以保证即使阴极中的活性物质有很多也可以保持稳定性能。