研究發現新型電極材料 可提高固態電池性能
時間:2021-02-25 08:52來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源：Science Advances）
據外媒報道，最近，日本某研究小組通過結合硫酸鋰和釕酸鋰開發出一種新型電極材料，可提高全固態電池（ASSB）性能。鋰離子電池想要實現大規模應用，需要具備高安全性和高能量密度，采用無機固體電解質的全固態鋰電池也不例外。利用高容量鋰過量電極材料可進一步提高能量密度。但是，該方法從未應用于全固態電池。
全固態電池采用高容量鋰過量電極材料的難點在于其電極-電解質界面構造。研究人員通過使用Li2SO4將鋰過量模型材料Li2RuO3非晶化，首次證明全固態電池中存在可逆氧氧化還原反應。Li2RuO3 -Li2SO4基體的非晶態性質使得其能夠包含具有高導電性和延展性的活性材料，從而可提供具有電荷轉移能力的良好界面，實現全固態電池穩定運行。
上個世界九十年代，商用鋰離子電池（LIB）的發明標志著技術革命的轉折。從起搏器到電動汽車，如今輕量級可充電電池被廣泛用于電子設備。然而，鋰離子電池的日益普及也引發兩個主要問題，安全性問題：電池未按最高標準制造可能會發生故障；儲量不足問題：鋰元素在地殼中的含量較小，而現代技術對鋰元素的需求量較大。
因此，科學家們正在尋找各種替代方案，使電池更安全、更可持續。日本大阪府立大學的Atsushi Sakuda副教授、Kenji Nagao博士及其應用化學系的同事一直致力于研究全固態電池（ASSB）。
ASSB與常規LIB之間的主要區別在于，前者使用固體而非液體電解質。LIB中的液體電解質高度易燃，電導率較低，還容易泄漏，因此比較危險。而固體電解質穩定且具有不可燃特性，使得ASSB具備高安全性和高性能。由于ASSB無需隔膜或冷卻系統，也可以被“微型化”。但是，由于電解質和電極活性材料難以實現有效接觸，導致電池能量密度和電池性能降低。
Sakuda博士表示：“因此，尋找新型高效的電極材料是制造高能量密度ASSB的關鍵。”為解決上述問題，研究人員對電極成分進行了研究。電池中起決定作用的主要是電極中的活性物質：通過氧化還原反應失去或獲得電子，從而實現電極與電解質之間的電荷轉移。反應次數越多，電池中存儲的電荷越多，其能量密度也就越高。
因此，研究人員通過組合兩種鋰化合物：硫酸鋰（Li2SO4）和釕酸鋰（Li2RuO3）開發出正極材料。該材料可為離子流動提供更多空間，從而實現電荷快速轉移。添加Li2SO4還可以使整體結構更具延展性和非晶質，實現可逆氧化還原反應的同時還能進一步壓縮該材料，因此大大提高電子和離子電導率，增強電池穩定性。
新型電池的可逆容量為270 mAh / g，性能優于大多數ASSB。研究人員希望通過將電極中的昂貴釕（Ru）元素換為一種性能相似但廉價的金屬，進一步推動新型固態電池的發展，并相信，其研究方法為制造下一代電池提供了堅實的基礎。通過證明ASSB可以在電動汽車中安全使用，研究人員希望ASSB能成為下一代電池的主要候選產品。
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