在尋找完美電池的過程中，科學家有兩個主要目標：制造一款可以儲存大量能量的設備，并確保使用這款設備的安全性。許多電池都含有液體電解液，但電解液可能是易燃的。
因此，完全由固體成分組成的固態鋰離子電池對科學家越來越有吸引力，因為它們提供了更高的安全性和更高的能量密度的誘人組合——即電池在給定容量下可以存儲的能量。
如圖所示的氯基電解質為固態鋰離子電池提供了更好的性能。（圖片由Linda Nazar/滑鐵盧大學提供）
來自加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）的研究人員是儲能研究聯合中心（JCESR）的成員，總部位于美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室，他們已經發現了一種新型固態電解質，這種電解質展現了幾個非常重要的優勢。
該固態電解質由鋰、鈧、銦和氯組成，雖然可以很好地傳導鋰離子，但傳導電子很差。這種組合對于制造全固態電池來說是必不可少的，研究發現在高壓（大于4伏）情況下超過百次循環和在中等電壓下循環數千次，都沒有明顯損失容量。電解質氯在4伏以上的工作條件下成為穩定性的關鍵，這意味著氯適用于構成當今鋰離子電池主體的典型陰極材料。
滑鐵盧大學著名的化學研究教授Linda Nazar表示：“固態電解質的主要吸引力在于不會引起火災，可以有效地放置在單元電池中。我們很高興可以展示穩定的高壓運行。”
目前固態電解質的迭代重點專注在硫化物上，硫化物在超過2.5伏的電壓下會氧化、分解。因此，它們需要在工作電壓高于4伏的陰極材料周圍加入絕緣涂層，但這樣會削弱電子和鋰離子從電解質移動到陰極的能力。
Nazar說：“關于硫化物電解質，有一個難題，如果想要通過電子方式將電解質與陰極分離，陰極就不會發生氧化反應，但仍舊需要陰極材料具有電子導電性。”
然而，Nazar的團隊并不是第一個設計出氯化物電解質的人，但基于該研究團隊前期工作，證明了將一半銦換成鈧在更低的電子和更高的離子電導性方面是正確的。Nazar說：“氯化物電解質之所以變得更加具有吸引力，是因為它只會在高電壓的情況下氧化，某些電解質在化學上可以與我們現有的最好的陰極兼容。最近已經有了一些相關報道，但我們的設計具有明顯優勢。”
離子導電性的一個化學關鍵在于一種被稱為尖晶石的縱橫交錯的3D結構的材料。研究人員必須平衡兩種相互競爭，不僅使可能多的帶電荷離子填充尖晶石，還要讓離子的移動通道保持開放。Nazar說：“你或許可以想象成是在主持一場舞會，你想讓人們來，但又怕太過擁擠。”
根據Nazar的說法，理想的狀態是尖晶石結構中有一半的位置被鋰占據，而另一半依舊處于開放狀態，但這是非常難實現的。
此外，除了鋰具有良好的導電性外，Nazar和她的同事還需要確保電子不會輕易通過電解質在高壓下引發分解。Nazar說：“想象一下跳房子的游戲。即使你只是想從第一個方塊跳到第二個方塊，如果你能創造出一堵墻，讓電子很難跳過去，在我們的例子中，這是這種固體電解質的另一個優點。”
Nazar說目前尚不清楚為什么電子導電率低于之前報道的許多氯化物電解質，但它有助于在陰極材料和固體電解質之間建立一個清潔的界面，這一事實在很大程度上是穩定性能的原因，即使陰極中含有大量活性材料。
基于該研究的論文《由氯化物固態電解質構成的高容量、長循環壽命的4V陶瓷全固態鋰離子電池》在1月3日的線上版《Nature Energy》刊登。
論文的另一位作者是Nazar的研究生Laidong Zhou，滑鐵盧大學學生Se Young Kim, Chun Yuen Kwok和Abdeljalil Assoud主要負責JCESR成員的工作。其他作者包括德國Justus Liebig大學的Tong-Tong Zuo和Juergen Janek教授，以及能源部橡樹嶺國家實驗室的Qiang Zhang。
這項研究由能源部科學辦公室、基礎能源科學辦公室資助，以及加拿大國家科學與工程研究委員會的支持。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳
2022.3.18