固態(tài)電池技術(shù)能否為電動汽車帶來更安全、更持久的未來？

隨著電動汽車的普及，目前鋰離子電池技術(shù)的局限性變得越來越明顯。續(xù)航里程有限、充電時間慢以及對電池安全性，特別是火災(zāi)風(fēng)險的擔(dān)憂，推動了對替代電池技術(shù)的研究。

固態(tài)電池因其更高的能量密度和改善的安全性，成為解決這些挑戰(zhàn)的有前景的方案。用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)，使這些電池能夠在更高的電壓下工作，并降低與鋰離子電池相關(guān)的安全風(fēng)險。

麥吉爾大學(xué)的研究人員在開發(fā)一種固態(tài)電解質(zhì)方面取得了突破，這種電解質(zhì)有望導(dǎo)致更安全、使用壽命更長的電池。

固態(tài)電池中的界面電阻挑戰(zhàn)

鋰離子電池驅(qū)動的電動汽車的快速擴張，需要通過用鋰金屬陽極替代石墨陽極來提高能量密度和安全性。然而，鋰金屬在接觸有機液體電解質(zhì)時電化學(xué)不穩(wěn)定，并且在鋰離子鉛極-剝離循環(huán)中容易形成鋰枝晶，這可能刺穿隔膜并造成安全隱患。

固態(tài)電解質(zhì)通過允許安全使用鋰金屬陽極提供了解決方案。然而，陶瓷固態(tài)電解質(zhì)與電池電極之間的高界面電阻仍然是一個障礙。

電池中的界面電阻是指在兩種不同材料(通常是電極和電解質(zhì))之間界面處的阻抗。它源于界面處離子導(dǎo)電性差或物理接觸不良，妨礙了離子在邊界之間的順暢傳輸，影響了能量轉(zhuǎn)移。

盡管固態(tài)陶瓷電解質(zhì)更穩(wěn)定且安全，但其剛性的結(jié)構(gòu)使得在與電極接觸時，鋰離子的運輸并不順暢。隨著時間的推移，這種電阻可能導(dǎo)致容量損失。此外，隨著電壓水平的增加，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間不穩(wěn)定的界面可能會退化，導(dǎo)致能量泄漏和結(jié)構(gòu)失效等進一步的性能問題。

這一問題以及制造一致光滑界面的困難一直是推動商業(yè)固態(tài)電池發(fā)展的重大障礙。

克服界面電阻

研究人員提出了一種新型全固態(tài)鋰電池的設(shè)計，重點解決高界面電阻問題。

該團隊使用了多孔陶瓷膜而不是傳統(tǒng)的致密板，并用少量聚合物填充了孔隙。該膜在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，允許離子導(dǎo)電。這種設(shè)計使鋰離子能夠更自由地移動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的高電壓操作。

固態(tài)電解質(zhì)通常分為陶瓷、聚合物和復(fù)合型。陶瓷固態(tài)電解質(zhì)通常在室溫下提供高離子導(dǎo)電性、優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性和強大的機械性能。在這些電解質(zhì)中，立方氟化鋁石型固態(tài)電解質(zhì)特別有前景，其離子導(dǎo)電率約為1 mS/cm，并在鋰金屬方面表現(xiàn)出強大的穩(wěn)定性。然而，這些氟化鋁石型固態(tài)電解質(zhì)的電極接觸不良，導(dǎo)致高界面電阻。

研究團隊開發(fā)了一種4.8伏的全固態(tài)鋰金屬電池，利用高導(dǎo)電性的基于氟化鋁石的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)(CSE)解決長期存在的高界面電阻和陶瓷電解質(zhì)與電極之間潤濕性差的問題。研究人員設(shè)計了一種CSE，使用多孔立方體Li6.1Al0.3La3Zr2O12(LLZO)框架，浸漬聚偏二氟乙烯(PVDF)，其在25°C時表現(xiàn)出高達0.437 mS/cm的離子導(dǎo)電性和0.72的鋰遷移數(shù)。

該材料具有45.74%的孔隙率，氟化鋁石框架提供了連續(xù)的離子導(dǎo)電通道，降低了界面電阻，使鋰離子的遷移變得高效。該材料的電化學(xué)窗口擴展至5.08伏，使其適用于高電壓應(yīng)用。

未來展望

隨著電動汽車繼續(xù)塑造交通運輸?shù)奈磥?，固態(tài)電池技術(shù)的進步具有重新定義能量存儲的巨大潛力。通過解決安全性和能量密度等問題，這一電池創(chuàng)新有望顯著延長電動汽車的使用壽命和性能。

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