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研究人员以溶液为基础合成固态电解质 推进固态电池商业化

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(图源:spectrum)

58京牌 比起易燃的有机电解液,固态无机电解质本身不易燃;而且,用锂金属代替石墨作为负极,可使电池的能量密度大幅提升(高达10倍)。因此,固态电池有望成为的突破性技术。然而,要将固态电池推向市场,仍面临很大的问题,即如何制造出既坚固耐用又足够薄的电解质,来作为良好的离子导体。在理想情况下,这些电解质应该只有几十微米厚,类似于今天锂离子电池的隔板,但是大多数固体电解质采用的是陶瓷材料,如果做得太薄,很容易破碎。

,加州大学圣地亚哥分校材料科学家Ping Liu,以及马里兰大学和加州初创公司Liox Power研究人员,开发了一种制造固态电池电解质的新技术。在制造过程中,通过对溶液进行干燥,形成离子导电复合材料,这种材料可同时作为电解质和正极涂层。

该电解质溶液是一种含有β-硫代磷酸锂(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究团队通过多种方式来合成这种材料,包括使用不同的亲核试剂、溶剂和机械支持物,但最关键的起始成分总是硫化锂(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所产生的β-Li3PS4溶液很清澈,在干燥时形成非常均匀的电解质层,可以直接沉积在硫化锂正极上。Liu说:“我们通过连续的过程来制造电池,而不需要分别制造单独的层体,所以,不必费力处理非常薄的材料。”

传统锂离子电池和固态电池制造技术,通常是将单层电解质堆叠组合在一起。这种能源密集型技术,需要用球磨机混合粉末与粘合剂,然后将其铸造成板材,再通过高温和高压平台,进行烧结或压制。Liu的方法解决了这些问题。另外,研究人员对β-Li3PS4溶液进行调整,以防止枝晶生长,从而打造更安全的电池。

锂枝晶的形成,是由于电场不均匀、表面化学或其他原因,导致锂离子在负极表面发生不均匀沉积,从而形成针状突起。如果任由枝晶形成,就会引起火灾。CSIRO的Best称:“负极上长出来的枝晶,与正极接触,会引起局部过热,温度可能高达1500到2000摄氏度。”研究团队开发的电解质,可与枝晶自发反应,形成惰性产物,有助于防止电池短路。Liu说:“这与伤口上长疤的过程非常相似。因此,我们称它为一种自我愈合和自我形成的机制。”

目前为止,研究人员已经为这种独特的电解质制造技术申请了五项专利。研究团队希望,在未来两至三年内,以每千瓦时低于100美元的成本,制造出容量为2Ah的固态电池工作原型,接近今天大多数智能手机电池的容量,进一步推进固态电池的商业化进程。

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