新型固體電解質(zhì)材料可提高電池安全性和能量容量

利物浦大學(xué)的研究人員公布了一種新型固體電解質(zhì)材料，這種材料能夠以與液體電解質(zhì)相同的速度傳導(dǎo)鋰離子，這是一項(xiàng)可能重塑電池技術(shù)格局的重大突破。

固體電解質(zhì)比液體電解質(zhì)有一個(gè)關(guān)鍵的好處——它們不會(huì)爆炸。當(dāng)然，到目前為止，安全性的提高是以性能下降為代價(jià)的。具體而言，固體電解質(zhì)通常更不善于將鋰離子傳導(dǎo)通過(guò)其材料。

現(xiàn)在，利物浦的研究人員已經(jīng)用一種由鋰、硅、硫和碘制成的新型固體電解質(zhì)解決了離子傳輸問(wèn)題，該電解質(zhì)呈三維晶體結(jié)構(gòu)。研究人員于2月16日在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

這種結(jié)構(gòu)為鋰離子在材料中確定位置提供了15種不同的途徑。這些途徑被稱(chēng)為配位環(huán)境，指的是帶正電的離子（陽(yáng)離子）被相鄰的原子或分子包圍并與之相互作用的方式。

這些途徑的數(shù)量標(biāo)志著與當(dāng)前最先進(jìn)的鋰固體電解質(zhì)的顯著不同，后者的晶體結(jié)構(gòu)中通常只有三到四種不同的鋰環(huán)境。

“環(huán)境為鋰在晶體結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)提供了大量的途徑，”利物浦大學(xué)教授、該論文的合著者之一Matthew Rosseinsky說(shuō)，“此外，材料中的鋰環(huán)境存在高度無(wú)序。對(duì)于固體中的離子傳輸，無(wú)序程度越高越好?！?/p>

Rosseinsky表示，晶格中鋰運(yùn)動(dòng)的多種途徑允許有效的離子導(dǎo)電性。與支持更少、更相似路徑的傳統(tǒng)固體電解質(zhì)不同，這種新材料將更高密度的結(jié)構(gòu)與多種路徑相結(jié)合，為鋰離子提供了多種運(yùn)動(dòng)選擇。這種結(jié)構(gòu)多樣性降低了離子捕獲的可能性，并提高了整體電導(dǎo)率。

在對(duì)該材料的研究中，研究人員證實(shí)，該材料的異常電導(dǎo)率與液體電解質(zhì)的電導(dǎo)率相當(dāng)。此外，該材料表現(xiàn)出低活化能，表明鋰離子運(yùn)動(dòng)的能量屏障最小。研究人員認(rèn)為，這些有希望的結(jié)果將這種新材料定位為下一代電池技術(shù)中用作固體電解質(zhì)的可行候選者。

Rosseinsky表示，在實(shí)際的電池應(yīng)用中，這種新材料表現(xiàn)出了令人印象深刻的性能特征。與傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)相比，這種新材料作為全固態(tài)電池配置的電解質(zhì)與鋰鈷氧化物陰極和鋰金屬陽(yáng)極一起工作，具有更好的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。

Rosseinsky說(shuō)：“這種材料與現(xiàn)有的固體電解質(zhì)沒(méi)有直接競(jìng)爭(zhēng)。這項(xiàng)研究的目的是開(kāi)拓固體電解質(zhì)發(fā)現(xiàn)的新方向，專(zhuān)注于提高鋰的遷移率和電池的整體性能。”Rosseinsky還強(qiáng)調(diào)，新型固體電解質(zhì)的成分由無(wú)毒、地球豐富含量的元素組成，強(qiáng)調(diào)了其潛在的環(huán)境效益。

Rosseinsky另外提到：“由于鋰、硅、硫和碘易于獲得且無(wú)毒，這種材料與電池行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和資源利用效率的努力相一致。此外，地球豐富元素的使用支持電池回收、最大限度地減少環(huán)境影響和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的舉措。”

這一進(jìn)展的意義不僅僅局限于電池研究。研究人員將人工智能模型納入他們的研究，這使他們能夠擴(kuò)大對(duì)可能的高性能材料的搜索。在研發(fā)過(guò)程中，人工智能促進(jìn)了有前景的化學(xué)成分的識(shí)別，引導(dǎo)研究人員尋找具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征的有利于離子傳輸?shù)牟牧稀?/p>

然而，Rosseinsky指出，“人工智能對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)有用的工具。但這個(gè)過(guò)程始終由研究人員自己根據(jù)他們的理解進(jìn)行指導(dǎo)，并借鑒了各種各樣的方法，其中大多數(shù)都沒(méi)有使用人工智能?！?/p>

Rosseinsky承認(rèn)，在廣泛采用這種材料方面仍然存在挑戰(zhàn)。該材料在空氣和濕氣中的不穩(wěn)定性是制造過(guò)程中的一個(gè)重大障礙，需要在電池組裝過(guò)程中控制環(huán)境以保持穩(wěn)定性。此外，盡管這種新材料提供了有前景的性能特征，但還需要進(jìn)一步研究，以?xún)?yōu)化其合成、可擴(kuò)展性以及與現(xiàn)有電池技術(shù)的兼容性。

審核編輯：劉清