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據(jù)外媒報道,東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Institute of Technology)的研究人員研發(fā)了一項新技術(shù)方案——無鍺固態(tài)電解質(zhì),可降低固態(tài)鋰電池的成本,并致力于將該項技術(shù)應(yīng)用到電動車、通信及其他行業(yè)中。

無鍺固態(tài)電解質(zhì)

該研究團(tuán)隊在在美國化學(xué)會(ACS)期刊——《材料化學(xué)(Chemistry of Materials)》上發(fā)表了論文,其技術(shù)方案為:采用錫與硅替代固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的鍺(germanium)元素,因為上述兩項材料的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。相較于液態(tài)電解質(zhì),新材料提升了鋰離子的導(dǎo)電率。在談?wù)撈溲芯砍晒麜r,Ryoji Kanno與他的同事表示:“這款固態(tài)電解質(zhì)不含鍺,未來或許所有固態(tài)電池都會采用該電解質(zhì)。”

配有固態(tài)電解質(zhì)(SEs)的全固態(tài)電池系統(tǒng)有望角逐新一代電池。據(jù)估計,該類電池所能提供的電量大、能源密度高、性能穩(wěn)定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導(dǎo)體(Sulfide-based lithium-ion conductors)的導(dǎo)電性高、電化學(xué)窗口(也有譯作:“電位范圍”,electrochemical windows)及機(jī)械性能也不錯。為此,目前許多機(jī)構(gòu)都在大力研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。

Li10GeP2S12(LGPS)是結(jié)晶硫電解質(zhì)產(chǎn)品系列的新成員,其導(dǎo)電性為1.2 × 10−2 S cm−1,可媲美有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)(organic liquid electrolytes)。全固態(tài)電池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS電解質(zhì),其充放電性能相當(dāng)出色。然而,鍺元素價格相對較貴,或?qū)⑾拗芁GPS材料的廣泛應(yīng)用。

在設(shè)計鋰離子導(dǎo)體時,晶體結(jié)構(gòu)類型也是一項重要因素。若不同材料的結(jié)構(gòu)類型相近,且固體的導(dǎo)電性高,那么新材料的導(dǎo)電性能就會更好。LGPS類結(jié)構(gòu)的鋰離子擴(kuò)散率高。未來,硅基及錫基的無鍺材料均可能被用作為固態(tài)電解質(zhì)并得到實際應(yīng)用。

日本東京工業(yè)大學(xué)研發(fā)新技術(shù)——無鍺固態(tài)電解質(zhì)

新材料的原子排布被命名為LSSPS。新款無鍺材料采用的結(jié)果為Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。

全固態(tài)電池的優(yōu)勢

相較于采用鋰離子導(dǎo)電液體的常見鋰離子電池,未來的全固態(tài)電池?fù)碛幸韵聝?yōu)勢:安全性及可靠性得到提升,儲能量較高、使用壽命更長。

超離子導(dǎo)體(superionic conductors)——固態(tài)晶體(solid crystals)的研究發(fā)現(xiàn)提升了鋰離子的移動速率,進(jìn)而促進(jìn)這類電池的研發(fā)進(jìn)展,但這款前景較好的設(shè)計卻一度依賴于對稀有金屬鍺的應(yīng)用,由于其價格過于昂貴,無法實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

Kanno表示,由于化學(xué)穩(wěn)定性高且易于裝配,這款新材料提升了對固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的可能性,進(jìn)而滿足各類工業(yè)需求及消費需求。

2011年,Kanno及其團(tuán)隊成員與豐田汽車、日本的高能加速研究機(jī)構(gòu)(KEK)開展合作,在發(fā)表的論文中引入了結(jié)構(gòu)為Li10GeP2S12 (LGPS)的固態(tài)電解質(zhì)。該材料在純固態(tài)電池研發(fā)競爭中占據(jù)了先手,該團(tuán)隊還基于LGPS結(jié)構(gòu)研發(fā)其他的固態(tài)電解質(zhì)并取得了成效。

優(yōu)化LGPS框架結(jié)構(gòu)提升性能

在最近發(fā)布的一篇論文中,研究人員保留了相同的LGPS框架結(jié)構(gòu),對錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進(jìn)行了精密調(diào)整。其研究成果LSSPS材料(成分:Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4))在室溫下的鋰離子導(dǎo)電性為1.1 x 10-2 S cm-1,幾乎接近最初的LGPS結(jié)構(gòu)的性能。

盡管還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整,研究人員可根據(jù)其不同的用途來優(yōu)化材料性能,為降低生產(chǎn)成本帶來了新希望,且不必犧牲材料的性能。

日本東京工業(yè)大學(xué)研發(fā)新技術(shù)——無鍺固態(tài)電解質(zhì)

循環(huán)伏安圖及充放電曲線。該材料的穩(wěn)定性高,充放電能力強(qiáng),在20次充放電周期內(nèi),其容量保持率(capacity retention)高。

責(zé)任編輯:莊婷婷

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