研究發(fā)現(xiàn)新型電極材料 可提高固態(tài)電池性能

時間:2021-02-25 08:52來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源：Science Advances）
 
       據(jù)外媒報道，最近，日本某研究小組通過結合硫酸鋰和釕酸鋰開發(fā)出一種新型電極材料，可提高全固態(tài)電池（ASSB）性能。鋰離子電池想要實現(xiàn)大規(guī)模應用，需要具備高安全性和高能量密度，采用無機固體電解質的全固態(tài)鋰電池也不例外。利用高容量鋰過量電極材料可進一步提高能量密度。但是，該方法從未應用于全固態(tài)電池。
 
       全固態(tài)電池采用高容量鋰過量電極材料的難點在于其電極-電解質界面構造。研究人員通過使用Li2SO4將鋰過量模型材料Li2RuO3非晶化，首次證明全固態(tài)電池中存在可逆氧氧化還原反應。Li2RuO3 -Li2SO4基體的非晶態(tài)性質使得其能夠包含具有高導電性和延展性的活性材料，從而可提供具有電荷轉移能力的良好界面，實現(xiàn)全固態(tài)電池穩(wěn)定運行。
 
       上個世界九十年代，商用鋰離子電池（LIB）的發(fā)明標志著技術革命的轉折。從起搏器到電動汽車，如今輕量級可充電電池被廣泛用于電子設備。然而，鋰離子電池的日益普及也引發(fā)兩個主要問題，安全性問題：電池未按最高標準制造可能會發(fā)生故障；儲量不足問題：鋰元素在地殼中的含量較小，而現(xiàn)代技術對鋰元素的需求量較大。
 
       因此，科學家們正在尋找各種替代方案，使電池更安全、更可持續(xù)。日本大阪府立大學的Atsushi Sakuda副教授、Kenji Nagao博士及其應用化學系的同事一直致力于研究全固態(tài)電池（ASSB）。 
 
       ASSB與常規(guī)LIB之間的主要區(qū)別在于，前者使用固體而非液體電解質。LIB中的液體電解質高度易燃，電導率較低，還容易泄漏，因此比較危險。而固體電解質穩(wěn)定且具有不可燃特性，使得ASSB具備高安全性和高性能。由于ASSB無需隔膜或冷卻系統(tǒng)，也可以被“微型化”。但是，由于電解質和電極活性材料難以實現(xiàn)有效接觸，導致電池能量密度和電池性能降低。
 
       Sakuda博士表示：“因此，尋找新型高效的電極材料是制造高能量密度ASSB的關鍵。”為解決上述問題，研究人員對電極成分進行了研究。電池中起決定作用的主要是電極中的活性物質：通過氧化還原反應失去或獲得電子，從而實現(xiàn)電極與電解質之間的電荷轉移。反應次數(shù)越多，電池中存儲的電荷越多，其能量密度也就越高。
 
       因此，研究人員通過組合兩種鋰化合物：硫酸鋰（Li2SO4）和釕酸鋰（Li2RuO3）開發(fā)出正極材料。該材料可為離子流動提供更多空間，從而實現(xiàn)電荷快速轉移。添加Li2SO4還可以使整體結構更具延展性和非晶質，實現(xiàn)可逆氧化還原反應的同時還能進一步壓縮該材料，因此大大提高電子和離子電導率，增強電池穩(wěn)定性。
 
       新型電池的可逆容量為270 mAh / g，性能優(yōu)于大多數(shù)ASSB。研究人員希望通過將電極中的昂貴釕（Ru）元素換為一種性能相似但廉價的金屬，進一步推動新型固態(tài)電池的發(fā)展，并相信，其研究方法為制造下一代電池提供了堅實的基礎。通過證明ASSB可以在電動汽車中安全使用，研究人員希望ASSB能成為下一代電池的主要候選產品。
 
(責任編輯：子蕊)
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