有如杯子蛋糕的半固態電解質,鋰硫電池性能更勝以往

作者 | 發布日期 2020 年 03 月 16 日 16:31 | 分類 能源科技 , 電池 follow us in feedly


在容器中加點材料與糖、之後再加熱成焦糖色,這聽起來像是蛋糕的做法,不過這是新加坡科學家的電池電解質的製作步驟,他們聲稱這種「半固態」電解質可以有效提高鋰硫電池的安全性,讓鋰硫電池離商業化更進一步。

鋰硫電池雖然還沒出實驗室大門,但卻是備受期待的潛力能源,其重量能量密度是當今鋰離子電池的 5 倍,高達每公斤 2,700Wh,還有著重量輕、原材料豐富,不需要添加氟等優勢,許多科學團隊正投入心力大力研發。

只是目前科學家面對的挑戰堆積如山,鋰硫電池壽命短、其中的材料往往快速衰退,最後碎裂,且硫的絕緣性也都是問題。對此,新加坡科技研究局(A*STAR)的奈米實驗室透過全新的電池結構,或許能帶來突破。

這些混合陰極、半固態電解質以及特殊的橋接鍵(bridging bonds),讓硫材料有喘息的空間,其中電池材料在充放電過程中會不斷膨脹收縮,應力累積就會破壞電極結構,有學者認為,由於硫電極的儲電容量太大,以至於無法承受應力進而破裂。

新加坡科學團隊的半固態電解質就是特殊解方,該電解質為片狀結構,主要由鋰鑭鋯氧(Lithium Lanthanum Zirconium Oxide,LLZO)薄膜製成。其中 LLZO 的導電性和化學穩定性表現都不錯,製造方法也新穎,科學家首先將金屬前體與蔗糖溶在水中,之後加熱製成像是「杯子蛋糕」的焦糖色形狀,而這塊杯子蛋糕還要再繼續加熱,最後形成注液(liquid-infused)多孔薄膜,成為電解質的框架。

傳統的固態電解質都會出現材料過硬、易碎,電極與電解質接觸不良的問題,固態電解質的高電阻也會降低電池性能,而新型的半固態、3D 的電解質不會上述問題,可以防止材料破裂,提高電池的穩定性、安全性與性能。

電池的結果也符合期待,在 1°C 與 2°C 溫度下充電密度為每公克 515 和 340 mAh,電荷密度則是每平方公分 1.5mg。帶領團隊的 Jackie Y. Ying 教授表示,半固態電解質是可行的折衷方案,團隊已經重新設計固態電解質的微觀結構,不僅排除電解質外洩問題,也滿足熱穩定性與機械穩定性。

團隊還認為,這種獨特的電解質架構也可以應用在其他電池上,目前研究已發表在《Nano Energy》。

(首圖來源:shutterstock)