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日本打造陶瓷柔性電解質(zhì)薄片新方法,使其能夠在更大的溫度范圍工作

牽手一起夢 ? 來源:蓋世汽車 ? 作者:佚名 ? 2020-05-19 14:30 ? 次閱讀
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外媒報道,日本首都大學(xué)東京(4月變更為東京都立大學(xué))研發(fā)了一種為鋰金屬電池打造陶瓷柔性電解質(zhì)薄片的新方法。研究人員將石榴石型陶瓷、聚合物粘合劑和一種離子液體混合在一起,打造出一種類固態(tài)片狀電解質(zhì)。由于研究人員在室溫下進行合成,因而與現(xiàn)有在高溫下(》 1000°C)進行的工藝相比,該新方法的耗能大大降低。此外,該電解質(zhì)能夠在很大的溫度范圍內(nèi)工作,是一種前景非常好的電解質(zhì),可用于電動汽車等設(shè)備的電池中。

化石燃料滿足了全球大部分的能源需求,包括電力。不過,化石燃料正在被耗盡,而且燃燒化石燃料會導(dǎo)致二氧化碳和有毒氮氧化物等其他污染物直接排放到大氣中。全球都需要向更清潔的可再生能源進行轉(zhuǎn)型,不過,風(fēng)能和太陽能的可再生能源往往是間歇性能源,因為風(fēng)不會一直吹,而晚上也沒有太陽。因此,需要研發(fā)先進的能源存儲系統(tǒng),更高效地利用此種間歇性可再生能源。自1991年,索尼公司實現(xiàn)鋰離子電池的商業(yè)化以來,此類電池就對現(xiàn)代社會造成了深遠的影響,為多種便攜式電子產(chǎn)品和無繩吸塵器等家用電器提供動力。不過,電動汽車仍需要最先進的鋰離子技術(shù),而且電池的容量和安全性需要得到很大的改進。

因此,很多科學(xué)家開始研究鋰金屬電池。因為從理論上看,鋰金屬陽極的容量比現(xiàn)有的商用石墨陽極的容量更高。不過,鋰金屬陽極仍存在技術(shù)障礙。例如,在液態(tài)電池中,可能會生長鋰枝晶,導(dǎo)致電池短路,甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸。不過,固態(tài)無機電解質(zhì)就明顯更安全。而石榴石型(結(jié)構(gòu)形狀)陶瓷Li7La3Zr2O12,即LLZO,由于具備離子電導(dǎo)率高且能與鋰金屬兼容,被廣泛認為是一種很有前景的固態(tài)電解質(zhì)材料。不過,生產(chǎn)高密度的LLZO電解質(zhì)需要高達1200 °C的燒結(jié)溫度,既浪費能源又耗時,因而很難大規(guī)模生產(chǎn)LLZO電解質(zhì)。此外,LLZO電解質(zhì)很脆,其與電極材料之間的物理接觸性能差,通常導(dǎo)致接觸界面電阻高,極大了限制了其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。

因此,東京都立大學(xué)的一個研究小組在Kiyoshi Kanamura教授的領(lǐng)導(dǎo)下,開始研發(fā)一種能夠在室溫下制作的柔性復(fù)合LLZO片狀電解質(zhì)。研究人員在薄薄的聚合物基材上澆上LLZO陶瓷泥漿,就像在吐司上涂上黃油一樣。然后,再放到真空爐中進行干燥,之后,該款75微米厚的片狀電解質(zhì)會被浸泡到離子液體(IL)中,以提升其離子電導(dǎo)率。離子液體就是室溫下的液體鹽,眾所周知,其導(dǎo)電率高,而且?guī)缀醪灰兹?,也不揮發(fā)。在該片狀電解質(zhì)內(nèi)部,離子液體成功填補了結(jié)構(gòu)中的微小缺口,橋接了LLZO顆粒,為鋰離子形成一個有效通道;此外,還有效降低了陰極接觸界面的電阻。在進一步研究中,研究人員發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)中的鋰離子既在離子液體,也在LLZO顆粒中擴散,因而離子液體和LLZO顆粒都突出發(fā)揮了作用。該合成法非常簡單,適合工業(yè)化生產(chǎn),而且整個過程都在室溫下進行,無需高溫?zé)Y(jié)。

盡管仍存在一些挑戰(zhàn),該研究小組表示,該柔性復(fù)合片狀電解質(zhì)所具備的機械魯棒性和可操作性使其能夠在更大的溫度范圍內(nèi)工作,也使其成為了鋰金屬電池的理想電解質(zhì)。新合成法非常簡單也意味著可能會比預(yù)想的時間更早看到此種高容量的鋰金屬電池上市

責(zé)任編輯:gt

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