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新的電池材料為全固態(tài)電池的發(fā)展提供了希望。在尋求完美電池的過(guò)程中，科學(xué)家們有兩個(gè)主要目標(biāo)：創(chuàng)造一個(gè)可以儲(chǔ)存大量能量的設(shè)備，并做到足夠安全。許多電池含有液體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)是潛在的易燃物。因此，完全由固體成分組成的固態(tài)鋰離子電池對(duì)科學(xué)家的吸引力越來(lái)越大，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘粋€(gè)誘人的組合，即更高的安全性和更高的能量密度，也就是電池在一定體積下可以儲(chǔ)存的能量。

來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)作為總部位于美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JCESR）的研究成員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的固體電解質(zhì)，它具有幾個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。

這種電解質(zhì)由鋰、鈧、銦和氯組成，能很好地傳導(dǎo)鋰離子，但電子傳導(dǎo)性較差。這種組合對(duì)于創(chuàng)造一種全固態(tài)電池是至關(guān)重要的，這種新設(shè)計(jì)的電池在高電壓（4伏以上）下充放電一百多次，在中等電壓下執(zhí)行數(shù)千次都不會(huì)有明顯的容量損失。電解液的氯化物性質(zhì)是其在4伏以上工作條件下的穩(wěn)定性的關(guān)鍵，這意味著它適用于構(gòu)成當(dāng)今鋰離子電池主流的典型正極材料。
滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系杰出研究教授、JCESR的長(zhǎng)期成員Linda Nazar說(shuō)："固態(tài)電解質(zhì)的主要吸引力在于它不會(huì)起火，而且可以有效地放置在電池單元中，我們很高興能夠展示穩(wěn)定的高電壓下運(yùn)行。"

目前，固態(tài)電解質(zhì)的升級(jí)瓶頸主要集中在硫化物上，而硫化物在2.5伏以上會(huì)氧化和降解。因此，它們需要在運(yùn)行電壓超過(guò)4伏的陰極材料周圍加入絕緣涂層，這損害了電子和鋰離子從電解質(zhì)中移動(dòng)到陰極的能力。對(duì)于硫化物電解質(zhì)，一直以來(lái)的難題是：想在電子上將電解質(zhì)與陰極隔離，以便它不被氧化，但仍然需要陰極材料的電子傳導(dǎo)性。

雖然Nazar的研究小組不是第一個(gè)設(shè)計(jì)出氯化物電解質(zhì)的人，但他們?cè)谥暗难芯抗ぷ鞯幕A(chǔ)上，決定將一半的銦換成鈧，這被證明是在降低電子和提高離子導(dǎo)電性方面的一個(gè)重大進(jìn)步。"氯化物電解質(zhì)已經(jīng)變得越來(lái)越有吸引力，因?yàn)樗鼈冎辉诟唠妷合卵趸?，而且有些與我們擁有的最好的陰極在化學(xué)上兼容，"Nazar說(shuō)。"最近已經(jīng)有一些這樣的報(bào)道，但我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。"

離子導(dǎo)電性的一個(gè)化學(xué)關(guān)鍵在于該材料的縱橫交錯(cuò)的三維結(jié)構(gòu)，稱為尖晶石結(jié)構(gòu)。研究人員必須平衡兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的愿望：在尖晶石上裝載盡可能多的攜帶電荷的離子，但也要為離子的移動(dòng)留出位置。Nazar說(shuō)："你可以把它想成是試圖舉辦一場(chǎng)舞會(huì)--你希望人們來(lái)，但你不希望它太擁擠。"理想的情況是尖晶石結(jié)構(gòu)中一半的位點(diǎn)被鋰占據(jù)，而另一半保持開(kāi)放，但她解釋說(shuō)這種情況很難被設(shè)計(jì)出來(lái)。

除了鋰的良好離子傳導(dǎo)性之外，Nazar和她的同事們還需要確保電子不能輕易地通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)，以觸發(fā)其在高電壓下分解。"想象一下一個(gè)跳房子的游戲，"她說(shuō)。"即使你只想從第一個(gè)方格跳到第二個(gè)方格，如果你能創(chuàng)造一堵墻，使電子（在我們的例子中）難以跳過(guò)去，這就是這種固體電解質(zhì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。"目前還不清楚為什么電子傳導(dǎo)性比以前報(bào)道的許多氯化物電解質(zhì)要低，但它有助于在陰極材料和固體電解質(zhì)之間建立一個(gè)干凈的界面，這一事實(shí)在很大程度上維持陰極中即使有大量活性材料下的穩(wěn)定性能。

一篇基于該研究的論文《氯化物固體電解質(zhì)促成的高面積容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命的4V陶瓷全固態(tài)鋰離子電池》出現(xiàn)在1月3日的《自然-能源》網(wǎng)絡(luò)版上。

原標(biāo)題：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)頗具前景的新型固態(tài)鋰離子電池電解質(zhì)