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研究人員開發全固態電池用固體電解質 無需高溫熱處理
轉載 :  zaoche168.com   2023年03月30日

據外媒報道,全固態電池是在正、負極之間使用固體電解質的二次電池。與傳統的鋰離子電池相比,其能量密度高且起火爆炸風險大幅降低,被視為下一代電池技術的代表。

(圖片來源:onlinelibrary.wiley.com

近年來,全固態電池領域的材料研究集中于充分提升材料結晶度,以實現與電解液相當的離子導電率(10 mS/cm及以上)。然而,這需要在材料混合或反應后進行長達數天的高溫結晶步驟(500℃以上)。因為機械變形能力降低,所以工藝成本提高,且易出現電池界面接觸問題。

韓國科學技術院(KIST)能源材料研究中心Hyoungchul Kim博士的研究團隊宣布,在室溫和常壓下,已通過一鍋法工藝(one-pot process)成功合成了固體電解質,并使其具有超導電性和高彈性變形能力。該項研究可以充分提高全固態電池材料的生產率,并通過改善彈性變形能力來解決固有的界面問題,因此備受關注。

該團隊重點關注銀輝石硫化物(argyrodite sulfides)的晶體學特征。在常溫常壓條件下,銀輝石硫化物可合成一種具有高度可變形性和離子導電的固體電解質材料。理論上來說,通過最大化銀輝石晶體中4a4c位點的鹵素取代率,可以充分提升離子導電率。但是,由于熱力學不穩定性,這種材料從未被實際合成出來。此外,常見的銀輝石超導體需要經過500°C以上的高溫熱處理。

因此,鹵素取代率無法達到最大化,彈性模量隨著結晶度的增加而下降,從而導致電池性能快速退化。與之相反,在不進行高溫熱處理的情況下,可以實現與玻璃相似的低彈性模量。然而,離子電導率保持在3ms/cm左右,使其作為固態電解質的適用性受限。

該團隊提出一種新策略,可以實現熱力學不穩定結構(即完全鹵化的銀輝石),以充分利用結晶和玻璃狀特性。研究人員開發了一種成分控制方法,可以降低銀輝石的結晶溫度;以及新的兩步機械化學銑削工藝,適合較低的結晶溫度。這有利于合成完全鹵素取代(約90.67%)的銀輝石,電導率約為13.23ms/cm,而無需經過長時間的高溫熱處理。

該合成材料還具有約12.51 GPa的彈性模量,是超導電固體電解質的最低報告值之一,有利于改善全固態電池的界面性能。此外,新的常溫常壓一鍋法工藝可以在不到15小時的時間內完成,是具有良好導電性固體電解質中生產率最高的。與傳統超導固體電解質合成工藝材料相比,大約可以實現2-6倍的生產率。

研究負責人Kim博士表示:“研究人員通過新工藝,在常溫常壓下成功開發了一種新的固體電解質材料,并使其具有高變形性和離子電導率。這種新材料將促進全固態電池商業化,以用于電動汽車和儲能系統。因為不需要高溫熱處理,可以充分提高材料生產率,同時提供高變形性和良好的導電性,適合解決全固態電池的電極界面問題?!?/FONT>

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