科学探索|科学家发现颇具前景的新型固态锂离子电池电解质科学家发现颇具前景的新型固

新的电池材料为全固态电池的发展提供了希望。在寻求完美电池的过程中，科学家们有两个主要目标：创造一个可以储存大量能量的设备，并做到足够安全。许多电池含有液体电解质，而液体电解质是潜在的易燃物。因此，完全由固体成分组成的固态锂离子电池对科学家的吸引力越来越大，因为它们提供了一个诱人的组合，即更高的安全性和更高的能量密度，也就是电池在一定体积下可以储存的能量。
来自加拿大滑铁卢大学作为总部位于美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的联合储能研究中心（JCESR）的研究成员已经发现了一种新的固体电解质，它具有几个重要的优势。
这种电解质由锂、钪、铟和氯组成，能很好地传导锂离子，但电子传导性较差。这种组合对于创造一种全固态电池是至关重要的，这种新设计的电池在高电压（4伏以上）下充放电一百多次，在中等电压下执行数千次都不会有明显的容量损失。电解液的氯化物性质是其在4伏以上工作条件下的稳定性的关键，这意味着它适用于构成当今锂离子电池主流的典型正极材料。

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【科学探索|科学家发现颇具前景的新型固态锂离子电池电解质】图中所示的氯基电解质正在为固态锂离子电池提供更好的性能。图片来源：Linda Nazar/滑铁卢大学
滑铁卢大学化学系杰出研究教授、JCESR的长期成员Linda Nazar说："固态电解质的主要吸引力在于它不会起火，而且可以有效地放置在电池单元中，我们很高兴能够展示稳定的高电压下运行。"
目前，固态电解质的升级瓶颈主要集中在硫化物上，而硫化物在2.5伏以上会氧化和降解。因此，它们需要在运行电压超过4伏的阴极材料周围加入绝缘涂层，这损害了电子和锂离子从电解质中移动到阴极的能力。对于硫化物电解质，一直以来的难题是：想在电子上将电解质与阴极隔离，以便它不被氧化，但仍然需要阴极材料的电子传导性。
虽然Nazar的研究小组不是第一个设计出氯化物电解质的人，但他们在之前的研究工作的基础上，决定将一半的铟换成钪，这被证明是在降低电子和提高离子导电性方面的一个重大进步。"氯化物电解质已经变得越来越有吸引力，因为它们只在高电压下氧化，而且有些与我们拥有的最好的阴极在化学上兼容，"Nazar说。"最近已经有一些这样的报道，但我们设计的一个具有明显的优势。"
离子导电性的一个化学关键在于该材料的纵横交错的三维结构，称为尖晶石结构。研究人员必须平衡两个相互竞争的愿望：在尖晶石上装载尽可能多的携带电荷的离子，但也要为离子的移动留出位置。Nazar说："你可以把它想成是试图举办一场舞会--你希望人们来，但你不希望它太拥挤。"理想的情况是尖晶石结构中一半的位点被锂占据，而另一半保持开放，但她解释说这种情况很难被设计出来。
除了锂的良好离子传导性之外，Nazar和她的同事们还需要确保电子不能轻易地通过电解质移动，以触发其在高电压下分解。"想象一下一个跳房子的游戏，"她说。"即使你只想从第一个方格跳到第二个方格，如果你能创造一堵墙，使电子（在我们的例子中）难以跳过去，这就是这种固体电解质的另一个优势。"目前还不清楚为什么电子传导性比以前报道的许多氯化物电解质要低，但它有助于在阴极材料和固体电解质之间建立一个干净的界面，这一事实在很大程度上维持阴极中即使有大量活性材料下的稳定性能。