隨著電動(dòng)汽車迅速發(fā)展，人們迫切需要儲(chǔ)能更高的新型電池，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(chǔ)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(bào)道，挪威科技大學(xué)（NTNU）的研究人員發(fā)現(xiàn)，在開發(fā)下一代電池時(shí)，有一種一度被視為富有前景的電解質(zhì)材料，現(xiàn)需要對(duì)其重新進(jìn)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：挪威科技大學(xué)）
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(dǎo)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(dǎo)性，但不具備聚合物的機(jī)械優(yōu)勢(shì)。
因此，研究人員向聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU材料科學(xué)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(shí)現(xiàn)兩全其美?！笔聦?shí)上，以往確有很多報(bào)道稱，在添加了填料后，聚合物電解質(zhì)能更好地傳導(dǎo)離子，甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為這些填料可以形成快速通道網(wǎng)絡(luò)，以便鋰離子通過材料。
然而，在這項(xiàng)研究中，Rettenwander及其同事發(fā)現(xiàn)，這些填料實(shí)際上并不參與電解質(zhì)中的鋰離子傳輸。也許與以往觀點(diǎn)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(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)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(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出關(guān)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(luò)。含有更多填料的薄膜，實(shí)際上離子導(dǎo)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(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加填料能夠提升電導(dǎo)率，而實(shí)際上它們并沒有在離子傳輸中起作用呢？研究人員認(rèn)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(shì)，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(dāng)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(gè)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?！崩纾琑ettenwander正在研究一種方法，通過改變材料表面促進(jìn)形成更好的鍵合。
對(duì)于電動(dòng)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(diǎn)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?！?/P>
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