固态电池在很小的空间内储存了大量的能量,但它们的电极并不擅长与电解质保持联系。液体电解质到达电极的每一个角落和缝隙以激发能量,但液体占用空间却不能储存能量,而且随着时间的推移会失效。研究人员现在正在将固体电解质与由战略安排的材料制成的电极(在原子水平上)接触,其结果有助于推动更好的固态电池技术。


伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)材料科学与工程教授保罗·布劳恩(Paul Braun)、博士后研究助理贝尼亚明·扎赫里(Beniamin Zahiri)和Xerion先进电池公司(Xerion Advanced Battery Corp.)研发总监约翰·库克(John Cook)领导了一项新研究,表明了如何控制固体材料的原子排列。可以改善阴极-固体电解质界面和固态电池的稳定性。研究结果发表在《自然材料》杂志上。

新研究可以改善阴极-固体电解质界面和固态电池的稳定性

传统固态电池和团队新的高性能设计的插图,其中包含量身定制的电极-电解质界面。


对于电池来说,重要的不仅仅是材料,还有这些材料表面原子的排列方式,Zahiri说,目前,固态电池电极包含的材料表面原子排列的多样性很大。这导致了看似无限数量的电极-固体电解质接触界面的可能性,所有的化学反应活性水平不同。我们感兴趣的是找出哪种安排能实际改善电池循环寿命、能量密度和功率。


研究人员表示,电解质的稳定性控制着电池在开始断电前的充放电循环次数。正因为如此,科学家们竞相寻找最稳定的电解质材料。


Zahiri说,在急于寻找稳定的固体电解质材料的过程中,开发人员似乎忽视了电解质和电极之间非常薄的界面发生的事情的重要性。但是如果电解质和电极之间的连接不能以一种有效的方式进行评估,那么电解质的稳定性就无关紧要。

新研究可以改善阴极-固体电解质界面和固态电池的稳定性

材料科学与工程研究人员Beniamin Zahiri(左)和Paul Braun领导了一个团队,该团队开发了由具有战略意义的材料制成的新型电池电极,以推动更好的固态电池技术的发展。


在实验室中,该团队构建了具有特定原子排列的钠离子和锂离子电极。他们发现锂基和钠基固态电池的电池性能和界面原子排列之间存在相关性。他们还发现,最小化界面表面积和控制电极原子排列是理解界面不稳定性本质和提高电池性能的关键。


这是一个新的范例,如何评估所有重要的固体电解质目前可用,库克说,在此之前,我们很大程度上只是猜测什么电极-固体电解质界面结构能提供最好的性能,但现在我们可以对此进行测试,并找到材料和原子取向的最佳组合。


正如合著者机械科学与工程教授Elif Ertekin和她的团队所证明的那样,拥有这种水平的控制给研究人员提供了运行原子模拟所需的信息,他们假设这将导致未来更好的电解质材料,研究人员说。


我们认为这将教会我们很多关于如何研究新兴的固体电子学,布劳恩说,我们不是要发明新的固体电解质。我们的方法将允许其他人精确测量他们的新材料的界面属性,这是一些很难确定的东西。


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