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[2017-06-27]走向全固態(tài)鋰電池新時代
大部分電池由兩端固態(tài)、具有電化學活躍度的電極層組成，中間由加入液態(tài)或膠狀電解液的聚合物膜分隔開。然而近段時間研究者們發(fā)現(xiàn)了制作全固態(tài)鋰電池的可能性，液體電解液（還存在潛在可易燃危險）可能會被固體電解質所替代，這能提高電池的能量密度和安全性。
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? ? 如今，MIT的一個研究團隊首次探測了一種硫基固態(tài)電解材料的機械性能，用于判斷其被用于電池中的機械性能表現(xiàn)。
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MIT研究團隊運用專業(yè)的儀器進行測試，在這些測試中他們用了一種金字塔錐尖型探針來切割一片硫基材料的表面。圍繞著圖片中間的錐形凹槽，箭頭所指的裂痕在材料中形成，展示材質的機械性能。
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? ? MIT研究生Frank McGrogan和Tushar Suamy,材料科學與工程教授Krystyn Van Vliet、the Michael (1949)和Sonja Koerner，材料科學與工程瓷學系教授蔣業(yè)明，以及四位含本科生在內的研究小組，在一篇發(fā)布于本周先進材料雜志上發(fā)布了該研究成果。四名本科參與者來自于由MIT材料科學與工程研究中心及加工中心注冊成立的國家科學基金組織本科研究經(jīng)驗項目組。
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? ? 鋰離子電池已被證明是一種輕質量電能儲備方式，并在現(xiàn)今的多類高科技設備中得以應用，從智能手機到電動汽車，都能看到它們的身影。然而用固態(tài)電解質替換這些電池中傳統(tǒng)的液態(tài)電解質能有多項顯著的優(yōu)勢。這種全固態(tài)鋰離子電池在相同電池組的前提下，擁有更強大的電能儲備能力。它也同時基本上徹底消除了被稱為樹枝晶的指尖大小缺陷物質沿電解質層生長導致短路的風險。
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? ? “由固態(tài)成分組成的電池無論在性能還是安全性的層面而言都是非常吸引人的一種選擇，然而我們還面臨著一些挑戰(zhàn)，”Van Vliet說。如今主導者市場的鋰離子電池在充電過程中，通過液體電解質從一端電極游離至另一端，在放電過程中進行著相反的游離。這樣的電池有著很高的效率，但“其液體電解質的化學性質并不是特別穩(wěn)定，可以做到更安全、更小、更輕?！?/p>
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? ? 然而這種全固態(tài)電池在使用時面臨的一大問題是，在電極進行多次放電時，電池內部產(chǎn)生不明出處的機械應力。這樣的循環(huán)會隨著鋰離子出入于其晶狀體結構而導致電池腫脹或收縮。在堅硬的電極中，尺寸的變化會導致壓力增加。如果電解質過于脆弱，尺寸的持續(xù)變化會導致電解質破裂，并大幅影響電池的性能表現(xiàn)，甚至可能會形成軌道，促進樹枝晶的形成，一如液體電解質中可能會發(fā)生的狀況。然而如果電解質對開裂具有相當?shù)牡挚沽?，這種壓力會被一定程度上化解，而且不會發(fā)生迅速開裂的現(xiàn)象。然而至今為止，硫基物對實驗室空氣的高敏感度，對測量其包括其斷裂韌性在內的機械性能帶來了不小的挑戰(zhàn)。為了規(guī)避這一問題，研究小組的成員們在礦物質油環(huán)境下進行了機械性能測試，礦物質油是用來防止硫基物與空氣或空氣中的水分產(chǎn)生反應的。通過該項技術，研究小組得以準確的測得硫基鋰離子聚合物的機械性能，這也讓其成為全固態(tài)鋰離子電池電解質成分的有力競爭者。
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? ? “固態(tài)電解質的候選材料有很多種，”McGrogan說，其他小組研究了氧化物與鋰離子聚合物的機械性能，但針對硫基物質所做的研究并不多，即使硫基物能與鋰離子簡單快速的結合，前景看來十分光明。
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? ? 先前的研究者們用的聲學測量技術，依據(jù)聲波通過材料來探測材料的機械性能，但這種方式無法測得材料的斷裂韌度。然而在這項新的研究中，研究人員們使用的尖頭探針刺入材料表面再探測材料的反應的方式，得以獲得關于材料更為完整的一系列參數(shù)，包括了硬度、斷裂韌度、楊氏模量（一種測量材料在應用應力下可拉伸的能力的測量單位）。
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? ? “研究者們已經(jīng)測得了硫基固態(tài)電解質的抗拉強度，但還沒測得其斷裂韌度，”Van Vliet說。斷裂韌度對于判斷該種材料用于電池中是否會破裂或破碎是直觀重要的因素。
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? ? 研究者們發(fā)現(xiàn)該物質的各項屬性在一定程度上與彈性橡皮泥或鹽水太妃糖是相似的：在收到壓力時，材料很容易變形；但在承受巨大壓力的情況下，材料會像塊易碎的玻璃一樣碎裂。
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? ? 獲得了這些詳細的參數(shù)性質后，“你就可以去測量材料在碎裂前能夠承受多大的壓力，”在知道相關的信息后來進一步設計新的電池系統(tǒng)，Van Vliet說。
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? ? 事實證明該種材料比理想中的固態(tài)電解質材料更易碎，但McGrogan表示，隨著這方面參數(shù)的獲取和為其量身定制的電池系統(tǒng)，它依然存在著潛在的使用價值，“你需要通過對其的了解進行量身定制。”
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? ? “目前最先進的鋰離子電池的循環(huán)壽命主要受其電解質的化學/電化學穩(wěn)定性、以及電解質與電極間反應的方式所影響，”密歇根大學機械工程專業(yè)教授Jeff Sakamoto說，他并沒有參與到此次的研究當中?！叭欢?，在固態(tài)電池中，機械降解程度會對電池的耐久度和性能起到?jīng)Q定性的作用。因此，了解固態(tài)電池電解質的機械性能就顯得尤為重要?！?/p>
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? ? Sakamoto還說道：“相較于目前最先進的石墨負極，鋰金屬負極在容量方面呈現(xiàn)出出顯著地增長。換句話說，在能量密度方面相比傳統(tǒng)的鋰離子電池技術，這種電極能讓電池的能量密度獲得近100%的增長。”
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? ? 該研究項目組還包括了MIT研究員Sean Bishop, Erica Eggleton, Lukas Porz和陳新偉。該項目由美國能源部辦公室基礎能源科學遠離平衡態(tài)界面機械化學部門提供支持。
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