美国科学家发现硼原子可替代碳原子_固态锂离子电池技术提升

据外媒报道，劳伦斯利福摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的科学家Brandon Wood与（美国）国家标准技术局（National Institute of Standards and Technology，NIST）的科学家Mirjana Dimitrievska负责牵头一项国际性研发合作，其研究团队发现在锂电池电解液中，若采用硼原子（boron atom）代替碳原子（carbon atom），提升了锂离子的流动性。对于固态电池而言，该特点颇具吸引力。

这就是所谓“阻挫（frustration）”的一个示例：系统动态性决定了锂离子永远不会满足于停留于原位，所以锂离子会一直呈现移动状态。

相较于当下的电池，固态锂离子电池可提升安全性、电压及能量密度。然而，固态电池仍处于研发的初级阶段，截止至目前，鲜有能实现商用的固态锂电池。

固态电池商业化的核心障碍之一在于：可供选择的固态电解质材料太少，该类材料旨在确保锂离子能在正负极之间有效移动。

然而，可用的材料存在多种问题，一部分材料的稳定性存在问题，另一部分则难以加工，至于剩下的备选材料，大部分是因为锂离子的移动速率过缓而遭淘汰，这意味着在制作时，务必确保该材料十分纤薄。

新研究主要致力于新材料——闭合硼酸盐（closo-borates），最近发现该材料的锂离子流动率较快。据Wood透露，该款材料的电化学性能稳定，更易加工。相较于其他材料，其优点较多。

尽管该款材料也存在一定的商业化障碍，但热稳定性、机械强度及循环特性（cyclability）较高，这恰恰是该研究团队眼下关注的焦点。该款新材料颇具吸引力，未来或许会被用于替代当下的固态电解质材料。

该款电解质材料是一款盐类物质，其含有带正电荷的无水氯化锂（lithium cations）和带负电荷的闭合硼酸阴离子。该研究表明，闭合硼酸阴离子可快速地完成其位置的重新调整（reorient），在固态基质（solid matrix）内徘徊，按特定的优先定向（preferred direction）进行交替位移。

若向闭合硼酸阴离子添加碳，就会生成所谓的偶极子（dipole），后者将排斥附近碳原子内的锂离子。随着阴离子的疾驰（spin），碳原子将面向不同的位置，每次都将迫使固态基质内的锂离子移动到附近区域。由于该类盐内均为疾驰的阴离子，从而导致锂离子的流动速度变得非常快。