鋰金屬電池柔性電解質(zhì)片獲突破

戴沖

東京城市大學(xué)的研究人員近期開(kāi)發(fā)出一種新方法來(lái)制造用于鋰金屬電池的陶瓷基柔性電解質(zhì)片。他們將石榴石型陶瓷、聚合物黏合劑和離子液體結(jié)合在一起，生產(chǎn)出準(zhǔn)固態(tài)片狀電解質(zhì)。合成是在室溫下進(jìn)行的，與現(xiàn)有的高溫（> 1000℃）工藝相比，所需能量大大減少。它可在很寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，使其成為用于電動(dòng)汽車(chē)電池的理想電解質(zhì)。

柔性復(fù)合片機(jī)械強(qiáng)度和可操作性俱佳

現(xiàn)代的化石燃料占了世界上大多數(shù)能源需求，包括我們使用的電力，但是化石燃料的應(yīng)用中，燃燒會(huì)導(dǎo)致二氧化碳和其他污染物（例如有毒的氮氧化物）直接排放到大氣中，因此，需要先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)更有效地使用可再生的間歇性能源。

自1991年索尼將鋰離子電池商業(yè)化以來(lái)，鋰離子電池已對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為無(wú)繩吸塵器等各種便攜式電子產(chǎn)品和電器提供了動(dòng)力。這帶來(lái)了人們對(duì)鋰金屬電池的研究興趣的復(fù)興：鋰金屬陽(yáng)極的理論容量比目前商業(yè)使用的石墨陽(yáng)極高得多。

眾所周知，鋰金屬陽(yáng)極仍然存在技術(shù)障礙。例如在液態(tài)電池中，可能會(huì)有電池短路的情況發(fā)生，蘋(píng)果和三星手機(jī)都發(fā)生過(guò)起火和爆炸的實(shí)例。固態(tài)無(wú)機(jī)電解質(zhì)明顯更安全，并且石榴石型（結(jié)構(gòu)類(lèi)型）陶瓷Li7 La3 Zr2 O12（LLZO），因其高離子電導(dǎo)率和與Li金屬的相容性而被廣泛認(rèn)為是一種有前途的固態(tài)電解質(zhì)材料。

但是生產(chǎn)高密度LLZO電解質(zhì)需要非常高的燒結(jié)溫度，高達(dá)1200℃，這既浪費(fèi)能源又耗時(shí)，使得難以大規(guī)模生產(chǎn)LLZO電解質(zhì)。此外，脆性LLZO電解質(zhì)與電極材料之間的不良物理接觸通常會(huì)導(dǎo)致較高的界面電阻，從而極大地限制了它們?cè)谌虘B(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。

柔性復(fù)合LLZO片狀電解質(zhì)成為鋰金屬電池新希望的電解質(zhì)材質(zhì)，工藝是將LLZO陶瓷漿液澆鑄到薄的聚合物基材上，就像在烤面包上涂黃油一樣。在真空烘箱中干燥后，將75微米厚的片狀電解質(zhì)浸泡在離子液體（IL）中，以提高其離子電導(dǎo)率。IL是在室溫下為液態(tài)的鹽，已知具有很高的導(dǎo)電性，同時(shí)幾乎不易燃且不揮發(fā)。

在薄板內(nèi)部，IL成功地填充了結(jié)構(gòu)中的微觀間隙，并彌合了LLZO顆粒，形成了鋰離子的有效途徑，它們還有效降低了陰極的界面電阻。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步調(diào)查，研究小組發(fā)現(xiàn)鋰離子通過(guò)結(jié)構(gòu)的IL和LLZO粒子擴(kuò)散，合成簡(jiǎn)單，適合工業(yè)生產(chǎn)：整個(gè)過(guò)程在室溫下進(jìn)行，無(wú)須高溫?zé)Y(jié)。研究小組表示，柔性復(fù)合板這種新的合成方法意味著我們將很快看到高容量鋰金屬電池的普及。