'成本昂貴的原材料有了替代品，鋰離子電池迎來新生'

材料科學技術設計佐治亞州科技工作者 2019-09-13

研究人員Gleb Yushin與Kostiantyn Turcheniuk。

近年來，鋰離子電池受歡迎程度越來越高，這給全球的鈷、鎳供應帶來了巨大壓力。作為鋰離子電池中不可或缺的兩種金屬，鎳和鈷的價格已開始飆升。據rh.gatech.edu網站9月9日報道，為了降低鋰電池對稀有金屬的依賴性，美國佐治亞理工學院的研究人員開發出了一種極具應用前景的新陰極和電解質體系，有望替代現在使用的昂貴金屬和傳統電解質。佐治亞理工學院材料科學與工程學院教授Gleb Yushin表示：“長期以來，過渡金屬氟化物製成的電極一直存在穩定性較差和快速失效等缺陷。這導致人們對它們能否用於下一代電池持懷疑態度。我們的研究表明，金屬氟化物在與固體聚合物電解質配合使用時，在高溫下表現出了非凡的穩定性。這可能促成更安全、更輕、更便宜的鋰離子電池的誕生。”

在典型的鋰離子電池中，能量通過鋰離子在陽極和陰極之間的轉移而釋放。其中，陰極通常由鋰和過渡金屬（鈷、鎳和錳等）構成。Yushin教授等在《自然·材料學》雜誌中發表的論文，以氟化鐵活性材料和固體聚合物電解質納米複合材料製備了一種新型陰極。新型氟化鐵陰極的鋰容量是傳統鈷或鎳陰極的兩倍多，但鐵的價格卻僅為鈷的三百分之一，鎳的一百五十分之一。

為了製造新型陰極，研究人員開發了將固體聚合物電解質滲入預製氟化鐵電極的工藝。隨後，他們對陰極結構進行整體熱壓，以提高密度，減少空隙。聚合物電解質的主要優點在於，它在循環過程中能夠容納氟化鐵的膨脹，並與其形成穩定、靈活的界面。Yushin說：“此前，科學家們雖然發現了氟化鐵陰極的巨大潛力，但其在循環過程中的體積變化、與液體電解質的副反應等問題對實際應用構成了極大限制。我們開發的彈性固體電解質可以解決這些問題。”

研究人員對多種新型固態電池進行了測試，分析了它們在122華氏度高溫下充放電300餘次時的性能。結果表明，即使在室溫下，它們的性能也優於此前的金屬氟化物性能。Yushin教授等認為，提高電池性能關鍵因素之一是電解質。此前，人們認為金屬離子遷移到陰極表面後會溶解於液體電解質中，導致容量損失。這種情況在高溫下表現得尤為突出。此外，當電池的溫度高於100華氏度時，金屬氟化物會對液體電解質產生催化分解效果。改用固態電解質和新陰極，溶解和分解情況就幾乎絕跡了。研究人員Kostiantyn Turcheniuk解釋說：“我們使用的聚合物電解質雖然很常見，但它可以有效防止副反應，增強電池穩定性。”

接下來，研究人員的目標主要包括：新開發及改進固體電解質，使其滿足快充功能；將固體電解質和液體電解質有機結合後融入新設計中，以使其與大型電池工廠使用的傳統電池製造技術兼容。

原創編譯：德克斯特審稿：alone 責編：張夢

期刊來源：《自然·材料學》

期刊編號：1476-1122

原文鏈接：http://rh.gatech.edu/news/625828/stretchy-plastic-electrolytes-could-enable-new-lithium-ion-battery-design

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