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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

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時間:1900/1/1 0:00:00

(來源:光譜)與易燃的有機電解質相比,固體無機電解質本身不易燃;而且用金屬鋰代替石墨做負極,可以大大提高電池的能量密度(最高可達10倍)。因此,固態電池有望成為電動汽車的突破性技術。然而,為了將固態電池推向市場,還有一個很大的問題,即如何制造一種既耐用又足夠薄的電解質,以充當良好的離子導體。理想情況下,這些電解質的厚度應該只有幾十微米,類似于今天鋰離子電池的隔膜,但大多數固體電解質都是由陶瓷材料制成的,如果做得太薄,很容易破裂。據國外媒體報道,加州大學圣地亞哥分校的材料科學家劉平和來自馬里蘭大學和加州初創公司Liox Power的研究人員開發出了一種制造固態電池電解質的新技術。在制造過程中,通過干燥溶液形成離子導電復合材料,其可用作電解質和陽極涂層。電解質溶液是含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究小組用許多方法合成了這種材料,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始終是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。生成的β-Li3PS4溶液非常清澈,干燥后形成非常均勻的電解質層,可以直接沉積在硫化鋰陽極上。劉說:“我們通過連續的過程制造電池,我們不需要制造單獨的層,所以我們不必處理非常薄的材料。”鋰離子電池和固態電池的傳統制造技術通常將單層電解質結合在一起。這種高耗能的技術需要用球磨機將粉末和粘結劑混合,然后澆鑄成板材,再通過高溫高壓平臺進行燒結或壓制。劉的方法解決了這些問題。此外,研究人員調整了β-Li3PS4溶液,以防止枝晶生長,從而創造出更安全的電池。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沉積不均勻,從而形成針狀突起。如果允許枝晶形成,就會引起火災。CSIRO的貝斯特(Best of CSIRO)說:“在負極上生長的枝晶,在與正極接觸時,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液可以自發與枝晶反應形成惰性產物,有助于防止電池短路。劉說:“這與傷口結疤的過程非常相似。因此,我們稱之為自愈自成形機制。”到目前為止,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到三年內,以低于每千瓦時100美元的成本制造出容量為2Ah的固態電池的工作原型,接近當今大多數智能手機電池的容量,進一步推動固態電池的商業化進程。

(來源:光譜)與易燃的有機電解質相比,固體無機電解質本身不易燃;而且用金屬鋰代替石墨做負極,可以大大提高電池的能量密度(最高可達10倍)。因此,固態電池有望成為電動汽車的突破性技術。然而,為了將固態電池推向市場,還有一個很大的問題,即如何制造一種既耐用又足夠薄的電解質,以充當良好的離子導體。理想情況下,這些電解質的厚度應該只有幾十微米,類似于今天鋰離子電池的隔膜,但大多數固體電解質都是由陶瓷材料制成的,如果做得太薄,很容易破裂。據國外媒體報道,加州大學圣地亞哥分校的材料科學家劉平和來自馬里蘭大學和加州初創公司Liox Power的研究人員開發出了一種制造固態電池電解質的新技術。在制造過程中,通過干燥溶液形成離子導電復合材料,其可用作電解質和陽極涂層。電解質溶液是含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究小組用許多方法合成了這種材料,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始終是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。生成的β-Li3PS4溶液非常清澈,干燥后形成非常均勻的電解質層,可以直接沉積在硫化鋰陽極上。劉說:“我們通過連續的過程制造電池,我們不需要制造單獨的層,所以我們不必處理非常薄的材料。”鋰離子電池和固態電池的傳統制造技術通常將單層電解質結合在一起。這種高耗能的技術需要用球磨機將粉末和粘結劑混合,然后澆鑄成板材,再通過高溫高壓平臺進行燒結或壓制。劉的方法解決了這些問題。此外,研究人員調整了β-Li3PS4溶液,以防止枝晶生長,從而創造出更安全的電池。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沉積不均勻,從而形成針狀突起。如果允許枝晶形成,就會引起火災。CSIRO的貝斯特(Best of CSIRO)說:“在負極上生長的枝晶,在與正極接觸時,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液可以自發與枝晶反應形成惰性產物,有助于防止電池短路。劉說:“這與傷口結疤的過程非常相似。因此,我們稱之為自愈自成形機制。”到目前為止,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到三年內,以低于每千瓦時100美元的成本制造出容量為2Ah的固態電池的工作原型,接近當今大多數智能手機電池的容量,進一步推動固態電池的商業化進程。

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