全固態(tài)電池如何走向?qū)嵱??中國科學(xué)家研發(fā)新技術(shù)突破最大瓶頸
中新網(wǎng)北京10月8日電 (記者 孫自法)全固態(tài)金屬鋰電池被譽(yù)為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的“圣杯”,但其面臨固-固界面接觸的棘手難題導(dǎo)致難以實(shí)用化,一直以來備受關(guān)注。
記者10月8日從中國科學(xué)院物理研究所獲悉,全固態(tài)電池走向?qū)嶋H應(yīng)用的最大瓶頸——固體電解質(zhì)和金屬鋰電極之間如何保持界面緊密接觸,最近已被中國科學(xué)家研發(fā)的新技術(shù)破解,基于該技術(shù)制備出的原型電池,性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有同類電池。
一舉突破最大瓶頸
全固態(tài)金屬鋰電池一直面臨一個(gè)棘手難題:固體電解質(zhì)和金屬鋰電極之間必須保持緊密接觸,傳統(tǒng)做法要靠笨重的外部設(shè)備持續(xù)施壓,導(dǎo)致電池又大又重,難以投入實(shí)際應(yīng)用。

在本項(xiàng)研究中,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心黃學(xué)杰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)張恒教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所姚霞銀研究員團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),全固態(tài)金屬鋰電池中,鋰電極和電解質(zhì)之間的接觸并不理想,存在大量微小的孔隙和裂縫,這些問題不僅會(huì)縮短電池壽命,還可能帶來安全隱患。
為解決這一難題,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種在硫化物電解質(zhì)中引入碘離子的新技術(shù):電池工作時(shí),這些碘離子會(huì)在電場作用下移動(dòng)至電極界面,形成一層富碘界面。這層界面能夠主動(dòng)吸引鋰離子,像“自我修復(fù)”一樣自動(dòng)填充進(jìn)所有的縫隙和孔洞,從而讓電極和電解質(zhì)始終保持緊密貼合。
研究團(tuán)隊(duì)稱,更重要的是,基于該技術(shù)制備出的原型電池,在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下循環(huán)充放電數(shù)百次后,性能依然穩(wěn)定優(yōu)異,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有同類電池的水平。

由中國科學(xué)家開發(fā)出的這一陰離子調(diào)控技術(shù),能在電極和電解質(zhì)之間形成一層全新的界面,可以吸引鋰離子主動(dòng)流動(dòng),像“流沙”一樣自動(dòng)填充微小的縫隙或孔洞,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的緊密貼合。由此,界面接觸不再依賴外部加壓,一舉突破了全固態(tài)電池走向?qū)嵱玫淖畲笃款i。相關(guān)研究成果論文,近日已在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然·可持續(xù)發(fā)展》發(fā)表。
未來有望大顯身手
研究團(tuán)隊(duì)表示,本項(xiàng)研究開發(fā)的新技術(shù)優(yōu)勢非常明顯:不僅制造更簡單、用料更省,還能讓電池更耐用。他們特別強(qiáng)調(diào),采用這項(xiàng)新技術(shù)未來可以做出能量密度超過500瓦時(shí)/千克的電池,如此一來,電子設(shè)備的續(xù)航時(shí)間有望提升至少兩倍以上。
同時(shí),這項(xiàng)突破將加速高能量密度全固態(tài)金屬鋰電池的發(fā)展,未來有望在人形機(jī)器人、電動(dòng)航空、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域大顯身手,帶來更安全、更高效的能源解決方案。
在美國馬里蘭大學(xué)固態(tài)電池專家王春生教授看來,最新發(fā)表的這項(xiàng)研究成果,從本質(zhì)上解決了制約全固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸問題,為實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化邁出了決定性一步。傳統(tǒng)技術(shù)需要施加超過5兆帕(相當(dāng)于50個(gè)大氣壓)的外力來維持界面穩(wěn)定,這種嚴(yán)苛條件嚴(yán)重阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,而這項(xiàng)中國團(tuán)隊(duì)開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù),從根本上改變了這一困境。

針對(duì)本項(xiàng)研究成果是否徹底解決了固態(tài)電池固-固界面接觸難題、何時(shí)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、是否增加成本、長期電化學(xué)穩(wěn)定性如何等問題,研究團(tuán)隊(duì)一一回應(yīng)稱,這次研究解決了全固態(tài)金屬鋰電池負(fù)極側(cè)界面的固-固接觸難題,對(duì)解決正極/電解質(zhì)固-固接觸問題同樣具有啟發(fā)作用。
本項(xiàng)研究成果已獲得中國發(fā)明專利授權(quán),正在申請(qǐng)國際專利,從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的困難集中在工藝和裝備研發(fā)方面,預(yù)計(jì)還需要3至5年時(shí)間努力。
新技術(shù)采用引入碘離子的方法,不會(huì)增加全固態(tài)金屬鋰電池成本。此外,富碘與金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定性好,對(duì)全固態(tài)金屬鋰安全性提升有利。(完)

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