蓋世汽車訊 隨著電動汽車迅速發(fā)展，人們迫切需要儲能更高的新型電池，以實現(xiàn)長續(xù)航里程。目前的鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)，正在接近其理論能量密度極限。為了在不增加電池尺寸的情況下儲存更多的能量，研究人員正在探討固態(tài)電解質(zhì)。與鋰離子電池相比，固態(tài)電池更加安全，更穩(wěn)定。據(jù)外媒報道，挪威理工大學（NTNU）的研究人員發(fā)現(xiàn)，在開發(fā)下一代電池時，有一種一度被視為富有前景的電解質(zhì)材料，現(xiàn)需要對其重新進行研究和審視。

由氧化鋰石榴石陶瓷填料制成的納米線的掃描電子顯微鏡圖像。（圖片來源：挪威理工大學）

陶瓷與聚合物的混合物

一種名為聚（環(huán)氧乙烷）或PEO的聚合物，符合固態(tài)電解質(zhì)的要求，因其靈活、輕便、易加工。然而，電解質(zhì)需要具有良好的鋰離子傳導性，PEO無法滿足這一要求。另一方面，陶瓷材料具有良好的離子傳導性，但不具備聚合物的機械優(yōu)勢。

因此，研究人員向聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU材料科學與工程系副教授 Daniel Rettenwander表示：“這一想法是將陶瓷顆粒放入這些聚合物中，然后以某種方式實現(xiàn)兩全其美。”事實上，以往確有很多報道稱，在添加了填料后，聚合物電解質(zhì)能更好地傳導離子，甚至有觀點認為這些填料可以形成快速通道網(wǎng)絡，以便鋰離子通過材料。

然而，在這項研究中，Rettenwander及其同事發(fā)現(xiàn)，這些填料實際上并不參與電解質(zhì)中的鋰離子傳輸。也許與以往觀點有所不同，但這一發(fā)現(xiàn)可能幫助研究人員走上一條更有成效的道路，從而開發(fā)更好的電池。

了解材料行為方式

研究人員用不同數(shù)量的氧化鋰石榴石陶瓷（LLZO）填料來制作薄膜，這些填充物以顆粒和線的形式存在，只有納米寬度。然后，使用掃描電子顯微鏡觀察薄膜的橫截面，并與奧地利里奧本材料研究中心（MCL）的Roland Brunner合作，使用X射線計算機斷層掃描技術從微觀尺度拍攝材料內(nèi)部快照。

將這些快照與材料性能的測量結(jié)果進行比較，可以得出關于填充顆粒如何影響聚合物中離子行為的結(jié)論。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些顆粒和納米線均勻地分布在聚合物中，并沒有形成能夠加快鋰離子傳輸?shù)木W(wǎng)絡。含有更多填料的薄膜，實際上離子導電性較差，這支持了填料不參與離子傳輸?shù)慕Y(jié)論。Rettenwander表示：“僅僅在薄膜內(nèi)添加填料并不能帶來任何改善。雖然有的陶瓷確實提高了性能，但不代表這就是其固有特性。”

那么，為什么一些實驗發(fā)現(xiàn)添加填料能夠提升電導率，而實際上它們并沒有在離子傳輸中起作用呢？研究人員認為，這可能是聚合物本身發(fā)生的變化給材料帶來了優(yōu)勢，即從有序的晶體結(jié)構(gòu)變成了更加無定形、不規(guī)則的形式。

電池的能量密度還能翻倍嗎？

當然，這并不意味著在聚合物中添加填料，是固態(tài)電池研究的死胡同。Rettenwander表示：“使用填料仍然是一個很好的策略，只是僅在里面放填充物是不夠的。為了使這些薄膜發(fā)揮作用，必須改善聚合物和陶瓷之間的界面。”例如，Rettenwander正在研究一種方法，通過改變材料表面促進形成更好的鍵合。

對于電動汽車中使用的固態(tài)電池而言，如果能找到一種方法將這兩種材料的優(yōu)點結(jié)合起來，可以顯著減少充電次數(shù)。Rettenwander表示：“如果能夠制造固態(tài)電池，就可以將能量密度增加近一倍，使續(xù)航里程增加近兩倍。”

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