结合两种电解质的优点打造更好的锂离子电池
锂离子电池为出现这些文字的设备供电。从手机、笔记本电脑到电动汽车，锂离子电池对于现代世界的技术至关重要，但它们也可能爆炸。锂离子电池由带负电和带正电的电极以及用于跨电极传输离子的电解质组成，其性能取决于其组件的局限性。液体电解质在高温下可能会挥发，其效率可能会受到其他组件的不均匀性和不稳定性的限制。
研究人员正在努力开发更安全、更高效的固体电解质电池，这与目前大多数商用电池中传输离子的液体电池相比是一个重大变化。清华大学深圳国际研究生院材料研究所深圳全固态锂电池电解质工程研究中心的一个团队表示，挑战在于每种固态材料都有很多缺点和优点。
为了解决这个难题，研究人员将两种主要的固态候选材料——陶瓷和聚合物——组合成一种新的复合电解质。
他们于 9 月 21 日在《能源材料与设备》杂志上发表了研究结果。
“复合固态电解质由于兼具无机电解质和聚合物电解质的优点而受到了极大的关注，”共同第一作者、清华大学深圳国际研究生院的于远说。“然而，由于聚合物基体和陶瓷相之间存在空间电荷层，传统无机陶瓷填料对复合固态电解质的离子电导率增强作用有限。”
无机陶瓷电解质具有高电导率，但它们在面对另一种固体时会产生电阻，并且合成复杂。聚合物电解质更容易生产、更灵活并且与电极配合得更好，但其在室温下的电导率太低，不适合商业应用。袁表示，将两者结合起来应该会产生一种更容易合成的高导电性、柔性电解质。然而，实际上，当混合时，复合固态电解质在其组成部分之间存在隔离(称为空间电荷层)，从而限制了其电导率。
为了纠正这个问题，研究人员使用钽酸锂作为功能填料来减轻空间电荷层的影响，钽酸锂具有晶体结构，具有独特的光学和电学特性。陶瓷离子导体材料是铁电体，这意味着当施加电流时它可以反转电荷。
“填料不仅减轻了空间电荷层的影响，而且还提供了额外的锂离子传输途径，”共同第一作者、清华大学深圳国际研究生院的陈丽坤说。
研究人员通过实验证明，钽酸锂填料缓解了锂离子穿过聚合物陶瓷界面传输的瓶颈，导致锂离子在电解质中移动的数量和速度都增加。
研究人员表示，其结果是一种具有高电导率和长循环寿命的电解质——指的是在充电和放电循环中离子在电池中传输的频率——即使在低温下也是如此。
“这项工作提出了一种新的策略，设计具有铁电和离子导电特性的集成陶瓷填料，以实现先进固态锂金属电池的复合固体电解质的高通量锂离子传输，”袁说。“我们的方法揭示了复合固态电解质的功能陶瓷填料的设计，以有效增强离子电导率和电池性能。”
其他合著者包括李宇航、安旭飞、吕建帅、郭绍科、程兴、赵阳、刘明、何彦冰和康飞宇。李、安、吕、郭、程、赵、康也隶属于清华大学深圳国际研究生院。
国家自然科学基金委、广东省重点研发计划、深圳市优秀人才培养基金、全固态锂电池电解液工程研究中心、深圳市科技计划项目等资助。
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