解決Vexing固態(tài)鋰離子電池問(wèn)題

幾乎電池世界的每個(gè)人都在談?wù)摴虘B(tài)電池作為“下一個(gè)新事物”。商用鋰離子電池可以為手機(jī)，電動(dòng)汽車(EV)和電網(wǎng)提供動(dòng)力。然而，普遍的共識(shí)是，它們已接近其發(fā)展道路的終點(diǎn)，不久將需要新的東西。作為傳統(tǒng)鋰離子電池的替代品，預(yù)計(jì)固態(tài)電池更安全并且具有更高的能量密度。固態(tài)電池用固體聚合物或玻璃材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的易燃液體有機(jī)溶劑電解質(zhì)，不會(huì)燃燒，因此更安全。通常，它們還用鋰金屬箔代替石墨陽(yáng)極，使能量密度增加兩倍或更多。但到目前為止，構(gòu)成陰極(正極)的金屬氧化物與固體電解質(zhì)之間的界面處的電阻太高，產(chǎn)生熱量并阻止快速充電和放電。

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工程師貿(mào)易展，提供最新的3D打印，自動(dòng)化和CAD / CAM軟件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他數(shù)百種軟件。由Taro Hitosugi教授領(lǐng)導(dǎo)的東京工業(yè)大學(xué)和東北大學(xué)的研究人員在陰極材料和固體電解質(zhì)之間開(kāi)發(fā)了一系列薄膜層，大大降低了界面處的電阻。這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的研究最近發(fā)表在ACS應(yīng)用材料與接口雜志上。

通過(guò)各種材料層的薄膜沉積在超高真空中制造測(cè)試電池。陰極(正極)是鋰 - 鎳 - 錳 - 氧化物(Li(Ni0.5Mn1.5)O4或LNMO)。這種材料被認(rèn)為是有前景的，因?yàn)樗哂斜却蠖鄶?shù)現(xiàn)有鋰離子電池化學(xué)品產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)4.2伏更高的電壓電位(與鋰金屬陽(yáng)極一起使用時(shí)為5伏)。為了制造硬幣配置的測(cè)試電池，將20nm厚的LaNiO3層(鑭 - 鎳 - 氧化物)沉積在由摻雜鈮的鈦酸鍶陶瓷(Nb：SrTiO3)制成的基板上。在其上沉積60nm厚的LNMO層，其與Li3PO4固體電解質(zhì)直接接觸。在550nm厚的固體電解質(zhì)的另一側(cè)的頂部放置500nm厚的鋰金屬層，其充當(dāng)陽(yáng)極(負(fù)電極)。

使用X射線衍射和拉曼光譜，分析了電池薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。“從Li3PO4層到LNMO層發(fā)現(xiàn)Li離子的自發(fā)遷移，在Li3PO4/ LNMO界面將LNMO的一半轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)2NMO，”研究人員稱，根據(jù)東京工業(yè)大學(xué)的新聞稿。根據(jù)發(fā)布的信息，在初始充電過(guò)程中發(fā)生反向遷移以再生LNMO。

也許更顯著，在電阻這個(gè)接口測(cè)量使用電化學(xué)阻抗譜-被發(fā)現(xiàn)是7.6歐姆，歸一化到電極面積(Ω厘米2)。據(jù)新聞報(bào)道，這比先前基于LMNO的固態(tài)電池的測(cè)量值小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。據(jù)東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)稱，它甚至比使用LMNO的液體電解質(zhì)基鋰離子電池更小。研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使在100次充放電循環(huán)后，電池的性能也沒(méi)有下降。

雖然必須注意不要過(guò)多地研究非常小規(guī)模的電池，但Hitosugi教授及其團(tuán)隊(duì)的工作解決了固態(tài)鋰電池進(jìn)一步發(fā)展的絆腳石之一。如果他們的解決方案在商業(yè)用途擴(kuò)展到全尺寸袋和圓柱形電池時(shí)證明是可行的，它可以推動(dòng)改變游戲規(guī)則，備受期待的固態(tài)鋰電池的發(fā)展。