钜大LARGE | 点击量：549次 | 2021年12月16日
日本科学家证明保持电解质干净无杂质可以提高固态电池容量
东京工业大学、东北大学、国立先进工业科学技术研究所、日本工业大学的科学家通过实验证明，清洁的电解液/电极界面是实现大容量固态锂电池的关键。他们的发现为改进电池设计铺平了道路，提高了移动设备和电动汽车的容量、稳定性和安全性。
液态锂离子电池无处不在，存在于大多数日常移动设备中。虽然液基电池具有相当大的优势，但也存在着显著的风险。最近几年，有报道称智能手机因设计错误起火，导致电池的液体电解质泄漏起火，公众对此已经很清楚。
制造成本、耐用性和容量等其他缺点导致科学家们开始研究另一种技术：固态锂电池（SSLBs）。SSLBs包括在充电和放电期间交换锂离子的固体电极和固体电解质。它们更高的能量密度和安全性使得SSLBs成为非常强大的能源。
然而，仍然有许多技术挑战阻碍了SSLBs的商业化。在目前的研究中，研究人员进行了一系列的实验，并获得了将SSLBs的性能提升到一个新水平的见解。领导这项研究的东京理工大学的TaroHitosugi教授解释了他们的动机：“LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）是一种很有前途的SSLBs正极材料，因为它可以产生相对较高的电压。在这项研究中，我们展示了电池在2.9和4.7V电压下的运行，同时实现了大容量、稳定循环和电解质/电极界面的低电阻。”
以往的研究表明，在LNMO基SSLBs中，产生清洁的电解液/电极界面是实现低界面电阻和快速充电的关键。科学家们还注意到，锂离子在制造时会自发地从Li3PO4（LPO）电解质迁移到LNMO层，在LNMO中形成LiNi0.5Mn1.5O4（L2NMO）相，其分布和对电池性能的影响未知。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
研究小组调查了L2NMO相的情况，分析了Li0Ni0.5Mn1.5O4（L0NMO）和L2NMO相在充放电过程中晶体结构的变化。他们还研究了L2NMO在真空中制造的清洁LPO/LNMO界面上的初始分布，以及电极厚度的影响。
令人惊讶的是，干净的界面促进了锂在SSLBs充放电过程中的插层和脱层。因此，具有干净接口的SSLBs的容量是传统LNMO基电池的两倍。此外，本研究首次发现了SSLBs中L0NMO相与L2NMO相之间稳定的可逆反应。
东北大学助理教授HideyukiKawasoko是这项研究的主要作者，他说：“我们的研究结果表明，形成一个无污染、清洁的LPO/LNMO界面是提高SSLBs容量的关键，同时确保快速充电的低界面电阻。”
除了移动设备，SSLBs还可以在电动汽车中找到一个家，因为电动汽车的成本和电池耐久性是其广泛商业化的主要障碍。这项研究的结果为未来的SSLB设计提供了重要的启示，并为从化石燃料向更环保的交通方式过渡铺平了道路。密切关注SSLBs的出现！
固态电池将成为趋势
自1991年商业化以来，锂离子电池已在世界范围内获得成功。但是，这不能掩盖它们在安全性，性能，外形尺寸和成本方面的固有局限性。
当前大多数锂离子技术都使用液体电解质，并在有机溶剂中添加锂盐，例如LiPF6，LiBF4或LiClO4。然而，由于电解质在负极上的分解而导致的固体电解质界面限制了有效电导率。此外，液体电解质需要昂贵的膜来分隔阴极和阳极，以及不渗透的外壳以避免泄漏。因此，这些电池的尺寸和设计自由度受到限制。此外，液体电解质使用易燃和腐蚀性液体，因此存在安全和健康问题。三星的Firegate特别强调了使用易燃液体电解质时，即使是大公司也面临的风险。
当前的高端锂离子电池在电池单元级别的能量密度可以达到700Wh/L以上，电动汽车的最大行驶范围约为500Km。改进的高镍阴极材料可以进一步推动能量密度，但是活性材料的特性可能会产生阈值。
固态电解质技术方法
固态电池可以改变游戏规则
固态电解质可以整合性能更好的材料，例如锂金属和高压阴极材料。然而，已经观察到，早期的固态电池可以包含相似类型的活性电极材料，其中液体电解质被固态电解质代替。在这种情况下，就能量密度而言，固态电池没有比液态锂离子电池明显的优势。
但是，在这种情况下，固态电池仍可提供价值。由于电极和电解质都是固态的，因此固体电解质也可以充当隔板，从而由于消除了某些组件（例如隔板和外壳）而减少了体积和重量。它们可以使电池组中的电池单元更紧凑地布置。例如，双极布置可在电池单元级别实现更高的电压和容量。简化的连接为电池组中的更多电池提供了额外的空间。
另外，去除易燃液体电解质可以成为更安全，持久的电池的一种途径，因为它们对温度变化和使用过程中发生的物理损坏具有更高的抵抗力。固态电池可以在降解之前处理更多的充电/放电循环，从而保证更长的使用寿命。更好的安全性意味着电池模块/电池组中更少的安全监控电子设备。
因此，即使最初几代的固态电池也可以具有与常规锂离子电池相似或什至更低的能量密度，电池组中可用的能量可以与后者相当或更高。
由于固体电解质可以提供更大的电化学窗口，因此可以使用高压阴极材料。此外，高能量密度的锂金属阳极可进一步将能量密度推至1,000Wh/L以上。这些功能可以进一步改变固态电池的游戏规则。
竞争技术使决策变得困难
对各种固态电池公司的投资反映了固态电池的巨大潜力。但是，固态电池并非仅基于单一技术。相反，行业中有多种技术方法可用。固态电解质可大致分为三类：有机类型，无机类型和复合类型。在无机类别中，LISICON类，银辉石，石榴石，NASICON类，钙钛矿，LiPON，氢化锂和卤化锂被认为是8种流行类型。类LISICON和类银辉石属于硫化物体系，而石榴石，类NASICON，钙钛矿和LiPON则基于氧化物体系。
到目前为止，聚合物，氧化物和硫化物系统之间的竞争尚不清楚，通常看到电池公司尝试多种方法。聚合物系统易于加工且最接近商业化，而相对较高的工作温度，较低的抗氧化电位和较差的稳定性则表明了挑战。硫化物电解质具有高离子电导率，较低的加工温度，宽的电化学稳定性窗口等优点。许多功能使它们具有吸引力，被许多人视为最终选择。然而，制造的困难以及在该过程中可能产生的有毒副产物使得商业化相对缓慢。氧化物体系稳定且安全，而较高的界面电阻和较高的加工温度通常显示出一些困难。
