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研究發(fā)現(xiàn)新型電極材料 可提高固態(tài)電池性能
時(shí)間:2021-02-25 08:52來(lái)源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來(lái)源：Science Advances）
據(jù)外媒報(bào)道，最近，日本某研究小組通過(guò)結(jié)合硫酸鋰和釕酸鋰開發(fā)出一種新型電極材料，可提高全固態(tài)電池（ASSB）性能。鋰離子電池想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要具備高安全性和高能量密度，采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池也不例外。利用高容量鋰過(guò)量電極材料可進(jìn)一步提高能量密度。但是，該方法從未應(yīng)用于全固態(tài)電池。
全固態(tài)電池采用高容量鋰過(guò)量電極材料的難點(diǎn)在于其電極-電解質(zhì)界面構(gòu)造。研究人員通過(guò)使用Li2SO4將鋰過(guò)量模型材料Li2RuO3非晶化，首次證明全固態(tài)電池中存在可逆氧氧化還原反應(yīng)。Li2RuO3 -Li2SO4基體的非晶態(tài)性質(zhì)使得其能夠包含具有高導(dǎo)電性和延展性的活性材料，從而可提供具有電荷轉(zhuǎn)移能力的良好界面，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池穩(wěn)定運(yùn)行。
上個(gè)世界九十年代，商用鋰離子電池（LIB）的發(fā)明標(biāo)志著技術(shù)革命的轉(zhuǎn)折。從起搏器到電動(dòng)汽車，如今輕量級(jí)可充電電池被廣泛用于電子設(shè)備。然而，鋰離子電池的日益普及也引發(fā)兩個(gè)主要問(wèn)題，安全性問(wèn)題：電池未按最高標(biāo)準(zhǔn)制造可能會(huì)發(fā)生故障；儲(chǔ)量不足問(wèn)題：鋰元素在地殼中的含量較小，而現(xiàn)代技術(shù)對(duì)鋰元素的需求量較大。
因此，科學(xué)家們正在尋找各種替代方案，使電池更安全、更可持續(xù)。日本大阪府立大學(xué)的Atsushi Sakuda副教授、Kenji Nagao博士及其應(yīng)用化學(xué)系的同事一直致力于研究全固態(tài)電池（ASSB）。
ASSB與常規(guī)LIB之間的主要區(qū)別在于，前者使用固體而非液體電解質(zhì)。LIB中的液體電解質(zhì)高度易燃，電導(dǎo)率較低，還容易泄漏，因此比較危險(xiǎn)。而固體電解質(zhì)穩(wěn)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(wú)需隔膜或冷卻系統(tǒng)，也可以被“微型化”。但是，由于電解質(zhì)和電極活性材料難以實(shí)現(xiàn)有效接觸，導(dǎo)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(guān)鍵。”為解決上述問(wèn)題，研究人員對(duì)電極成分進(jìn)行了研究。電池中起決定作用的主要是電極中的活性物質(zhì)：通過(guò)氧化還原反應(yīng)失去或獲得電子，從而實(shí)現(xiàn)電極與電解質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移。反應(yīng)次數(shù)越多，電池中存儲(chǔ)的電荷越多，其能量密度也就越高。
因此，研究人員通過(guò)組合兩種鋰化合物：硫酸鋰（Li2SO4）和釕酸鋰（Li2RuO3）開發(fā)出正極材料。該材料可為離子流動(dòng)提供更多空間，從而實(shí)現(xiàn)電荷快速轉(zhuǎn)移。添加Li2SO4還可以使整體結(jié)構(gòu)更具延展性和非晶質(zhì)，實(shí)現(xiàn)可逆氧化還原反應(yīng)的同時(shí)還能進(jìn)一步壓縮該材料，因此大大提高電子和離子電導(dǎo)率，增強(qiáng)電池穩(wěn)定性。
新型電池的可逆容量為270 mAh / g，性能優(yōu)于大多數(shù)ASSB。研究人員希望通過(guò)將電極中的昂貴釕（Ru）元素?fù)Q為一種性能相似但廉價(jià)的金屬，進(jìn)一步推動(dòng)新型固態(tài)電池的發(fā)展，并相信，其研究方法為制造下一代電池提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)證明ASSB可以在電動(dòng)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(chǎn)品。
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