蓋博理工學(xué)院通過(guò)半固態(tài)電解質(zhì)來(lái)提高鋰硫電池的安全性

最近，新加坡科學(xué)技術(shù)研究所納米實(shí)驗(yàn)室(NBL)的研究人員計(jì)劃為鋰硫電池研制一種半固態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)可以在不影響電池性能的前提下提高電池的安全性。鋰硫電池將更接近于成為各種電子和能量存儲(chǔ)應(yīng)用的高效電源。

長(zhǎng)期以來(lái)，安全問(wèn)題一直阻礙著鋰離子電池的工業(yè)應(yīng)用。鋰離子電池會(huì)泄漏高度易燃的有機(jī)電解質(zhì)液體，依賴于熱的和機(jī)械上不穩(wěn)定的電極分離器。雖然固體電解質(zhì)現(xiàn)在已經(jīng)顯示出改善鋰離子電池安全性的潛力，但它們的電極/電解質(zhì)往往處理不當(dāng)，離子電導(dǎo)率有限，導(dǎo)致固體鋰離子電池性能較差。

JackieY,NBL研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。應(yīng)教授說(shuō):液態(tài)和固態(tài)的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的混合物現(xiàn)在已經(jīng)成為一種有用的折衷方法，既能實(shí)現(xiàn)更安全的電池，又能保持出色的功能。然而，固體元件的高電阻迄今為止限制了這種電池的功能。為了解決這一問(wèn)題，我們對(duì)固體成分的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新編程。我們的解決方法消除了電解液的泄漏，而且溫度和機(jī)械穩(wěn)定性都很好。

NBL的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃了一種混合準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，由液體注入多孔膜組成，多孔膜由Li7La3Zr2O12(LLZO)薄片制成。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種制造LLZO晶圓的新方法，這種晶圓被用來(lái)構(gòu)建電解質(zhì)的框架。他們稱這種方法為制作3d電影結(jié)構(gòu)的杯形蛋糕法。

LLZO因其高離子導(dǎo)電性和優(yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性而被選中。電解質(zhì)的非剛性結(jié)構(gòu)使其與電極保持良好的接觸，并防止其在操作和電池組裝過(guò)程中開(kāi)裂。這使得電池更安全，更實(shí)用。NBL的半固態(tài)電解質(zhì)在寬電壓范圍內(nèi)也很穩(wěn)定，可以用于不同的鋰離子電池電極材料，包括高壓陰極。

采用NBL新型電解質(zhì)制備的鋰硫電池具有容量大、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，在1.5mg/cm2的負(fù)載密度下，新型電解質(zhì)獲得了明顯的速率容量(分別為1℃~515和2C℃~340mAh/g)。這是鋰-硫混合準(zhǔn)固體電池能夠?qū)崿F(xiàn)的最高功能之一。

應(yīng)教授說(shuō):我們發(fā)現(xiàn)的3d結(jié)構(gòu)對(duì)電池的最佳性能至關(guān)重要。此外，我們的系統(tǒng)在極區(qū)溫度下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。這些結(jié)果說(shuō)明了我們的芯片結(jié)構(gòu)作為其他半固態(tài)鋰離子電池框架的巨大潛力。

目前，NBL團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新的鋰離子、鋰硫和鋰固體電池用于商業(yè)化。