固态电解质的进步可以使下一代汽车的储能能力翻倍

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美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们利用聚合物制成坚固而有弹性的薄膜，加速了下一代固态电池的问世。这一努力推动了电动汽车电源的发展，这种电源由柔性、耐用的固态电解质片实现。
这些薄片可能有助于大规模生产具有更高能量密度电极的未来固态电池。通过分离负极和正极，它们可以防止危险的电气短路，同时为离子运动提供高传导路径。
与目前使用液体电解质的电池相比，这些成就预示着更高的安全性、性能和能量密度，液体电解质易燃、化学反应性强、热不稳定且容易泄漏。
ORNL 的 Yang 光表示：“我们的成果至少可以将能量存储量提高一倍，达到每公斤 500 瓦时。开发厚度为 30 微米或更薄的固态电解质膜的主要动机是将更多的能量装入锂离子电池中，这样您的电动汽车、笔记本电脑和手机就可以在需要充电之前运行更长时间。”
这项研究发表在《ACS Energy Letters》上，通过优化聚合物粘合剂以用于硫化物固态电解质，改进了ORNL 之前的一项发明。这是建立选择和处理材料协议的持续努力的一部分。
这项研究的目标是找到“金发姑娘”点，即一种刚好能够支持离子传导和结构强度的薄膜厚度。
目前的固态电解质采用塑料聚合物来传导离子，但其电导率远低于液体电解质。有时，聚合物电解质会加入液体电解质来提高性能。
硫化物固态电解质的离子电导率与目前锂离子电池中使用的液体电解质相当。“这非常有吸引力，”杨说。“硫化物化合物创造了一条导电路径，使锂在充电/放电过程中可以来回移动。”
研究人员发现，聚合物粘合剂的分子量对于制造耐用的固态电解质薄膜至关重要。用轻质粘合剂制成的薄膜，其聚合物链较短，缺乏与电解质材料保持接触的强度。
相比之下，用更重的粘合剂（聚合物链更长）制成的薄膜具有更高的结构完整性。此外，制造良好的离子导电薄膜所需的长链粘合剂更少。
“我们希望尽量减少聚合物粘合剂的使用，因为它不传导离子，”杨说。“粘合剂的唯一作用是将电解质颗粒锁定在薄膜中。使用更多的粘合剂可以提高薄膜的质量，但会降低离子传导性。相反，使用较少的粘合剂可以提高离子传导性，但会损害薄膜的质量。”
杨教授设计了这项研究的实验并监督了该项目，与斯坦福直线加速器中心执行主任、巴特尔杰出发明家贾吉特·南达 (Jagjit Nanda) 合作。杨教授最近被美国能源部高级研究计划局能源部认可为有可能成功将创新理念转化为有影响力的技术的科学家。
安娜·米尔斯曾是佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院的研究生，专注于纳米材料合成。她使用电化学阻抗谱测试薄膜并进行临界电流密度测量。
佛罗里达州立大学的 Daniel Hallinan 提供了聚合物物理学方面的建议。弗里德-哈德曼大学的暑期实习生 Ella Williams 为电化学电池的制造和评估提供了帮助。
在纳米相材料科学中心（位于 ORNL 的美国能源部科学办公室用户设施），Yi-Feng Su 和 Wan-Yu Tsai 进行了扫描电子显微镜和能量色散 X 射线光谱分析，以表征薄膜的元素组成和微观结构。同样来自 ORNL 的 Sergiy Kalnaus 使用纳米压痕测量其表面的局部应力和应变，并应用理论来理解结果。
斯坦福直线加速器中心国家加速实验室的 Xueli Zheng 和 Swetha Vaidyanathan 在斯坦福同步辐射光源进行了测量，揭示了阴极粒子的形貌。
这些先进的表征技术对于检查硫化物固态电解质片的复杂细节至关重要。杨说：“通过了解这些细节，我们能够增强电解质有效传导离子和保持其稳定性的能力。”“这种详细的分析对于开发更可靠、更高效的固态电池至关重要。”
科学家们正在扩大 ORNL 实验室 7,000 平方英尺空间的功能，建立专门用于研究硫化物的低湿度区域，因为硫化物往往会污染其他材料。“为了解决这个问题，我们需要在化学实验室中配备专用的手套箱，”杨说。“在许多情况下，为这种专用设备分配资源可能具有挑战性。在 ORNL，我们有八个专门用于这项工作的手套箱。”
该团队将制造一种可将薄膜集成到下一代负极和正极中的设备，并在实际电池条件下对其进行测试。然后，他们将与工业界、学术界和政府的研究人员合作，开发和测试该薄膜在其他设备中的应用。
杨说：“这项工作非常适合国家实验室的能力。”他称赞了由不同专家组成的团队，他们拥有宝贵的材料、表征工具和专用设施。
更多信息： Anna Mills 等人，《阐明独立硫化物固态电解质膜中的聚合物粘合剂缠结》，ACS Energy Letters (2024)。DOI ：10.1021/acsenergylett.3c02813
期刊信息： ACS Energy Letters