新涂层帮助固体电解质电池超越传统锂离子电池

新涂层帮助固体电解质电池超越传统锂离子电池

一种新的全固态锂电池不仅可以储存几乎是标准锂离子电池两倍的能量，而且不像现在的商业电池那样容易着火。这个新颖的原型成功背后的秘诀是什么？一项新的研究发现，摆脱电池的一个常用电极。

传统电池通过两个电极之间的化学反应供电——带负电的阳极，电子从电池流出，带正电的阴极，电子可以进入电池。典型的锂离子电池的电极由其结构可以存储和释放带电锂离子的物质制成。阳极通常由石墨组成，而阴极通常是金属氧化物。这些电极材料被涂在收集产生的电流的金属箔上——对于阳极，这种金属通常是铜，对于阴极，这种金属是铝。

锂离子电池中的电极通常通过液体或凝胶电解质相互作用。全固态电池采用由陶瓷等材料制成的固体电解质。

固体电解质比液体或凝胶电解质更致密。这意味着在相同的重量或空间下，全固态电池可以产生比传统电池更多的能量。此外，全固态锂电池比使用通常易燃的有机液体电解质的传统电池更安全。

关于制造稳定、有用的全固态电池的最佳方法，还有很多不确定性。例如，之前的研究发现基于硫化物的固体电解质可以帮助制造可以储存大量能量的电池。然而，这些电解质中的硫化物会与两个电极发生反应，生成阻碍电池内电流流动的化合物。

科学家们寻求改进全固态电池的一种方法是用铜箔集电器代替传统的石墨阳极。这种策略可以显着提高这些电池可能储存的能量。“你实际上消除了一半的电池内部材料，”该研究的资深作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的材料科学家 David Mitlin 说。他补充说，使用更少的材料也降低了成本。

然而，无阳极全固态电池研究面临的一个关键挑战是它们以稳定的方式经历放电和充电循环所面临的问题。现在，在一项新研究中，研究人员展示了一种新涂层可以解决这个问题。

科学家们用硫化物基固体电解质进行了无阳极全固态电池的实验。他们探索用超薄锂激活碲涂层其铜集电器。目的是控制锂金属扩散或“润湿”铜的方式。他们发现这种新涂层有助于锂金属沉积并从铜集电器中溶解成薄而均匀的层。

如果没有这种新涂层，研究人员发现铜箔在充电和放电过程中会覆盖不规则的微观结构。Mitlin 说，其中包括尖尖的树突，“可以而且将会导致阳极和阴极之间的电池短路，进而导致电池起火”。它们还包括阻碍电池性能的“死金属”块和蜂窝状材料外壳。“这就像内部覆盖着一层厚厚铁锈的引擎，”他说。

与商用锂离子电池相比，这种新电池的重量和能量容量分别增加了 72% 和 95%。研究人员指出，他们可以使用标准制造技术在这些铜集电器上生产新涂层。他们补充说，这可能有助于直接扩大这些新电池的生产规模。

“这些发现可能为无阳极和全固态电池的大规模商业化提供关键的缺失环节，”米特林说。

尽管如此，尽管这项研究可能解决了无阳极全固态锂电池的一个关键问题，但米特林警告说，要真正将它们推向市场还需要大量的开发工作。“要让无阳极全固态锂电池从实验室规模发展到原型规模，还有大量工作要做，更不用说汽车规模了，”他说。