固态电池技术能否为电动汽车带来更安全、更持久的未来？

随着电动汽车的普及，目前锂离子电池技术的局限性变得越来越明显。续航里程有限、充电时间慢以及对电池安全性，特别是火灾风险的担忧，推动了对替代电池技术的研究。

 

固态电池因其更高的能量密度和改善的安全性，成为解决这些挑战的有前景的方案。用固体电解质替代液体电解质，使这些电池能够在更高的电压下工作，并降低与锂离子电池相关的安全风险。

电动汽车用固态电池

 

麦吉尔大学的研究人员在开发一种固态电解质方面取得了突破，这种电解质有望导致更安全、使用寿命更长的电池。

 

固态电池中的界面电阻挑战

 

锂离子电池驱动的电动汽车的快速扩张，需要通过用锂金属阳极替代石墨阳极来提高能量密度和安全性。然而，锂金属在接触有机液体电解质时电化学不稳定，并且在锂离子铅极-剥离循环中容易形成锂枝晶，这可能刺穿隔膜并造成安全隐患。

 

固态电解质通过允许安全使用锂金属阳极提供了解决方案。然而，陶瓷固态电解质与电池电极之间的高界面电阻仍然是一个障碍。

锂离子电池与固态电池接口

 

电池中的界面电阻是指在两种不同材料(通常是电极和电解质)之间界面处的阻抗。它源于界面处离子导电性差或物理接触不良，妨碍了离子在边界之间的顺畅传输，影响了能量转移。

 

尽管固态陶瓷电解质更稳定且安全，但其刚性的结构使得在与电极接触时，锂离子的运输并不顺畅。随着时间的推移，这种电阻可能导致容量损失。此外，随着电压水平的增加，固态电解质与电极之间不稳定的界面可能会退化，导致能量泄漏和结构失效等进一步的性能问题。

 

这一问题以及制造一致光滑界面的困难一直是推动商业固态电池发展的重大障碍。

 

克服界面电阻

 

研究人员提出了一种新型全固态锂电池的设计，重点解决高界面电阻问题。

 

该团队使用了多孔陶瓷膜而不是传统的致密板，并用少量聚合物填充了孔隙。该膜在保持结构稳定性的同时，允许离子导电。这种设计使锂离子能够更自由地移动，从而实现稳定的高电压操作。

电解质与电池之间形成稳定的电解质

 

固态电解质通常分为陶瓷、聚合物和复合型。陶瓷固态电解质通常在室温下提供高离子导电性、优良的电化学稳定性和强大的机械性能。在这些电解质中，立方氟化铝石型固态电解质特别有前景，其离子导电率约为1 mS/cm，并在锂金属方面表现出强大的稳定性。然而，这些氟化铝石型固态电解质的电极接触不良，导致高界面电阻。

 

研究团队开发了一种4.8伏的全固态锂金属电池，利用高导电性的基于氟化铝石的复合固态电解质(CSE)解决长期存在的高界面电阻和陶瓷电解质与电极之间润湿性差的问题。研究人员设计了一种CSE，使用多孔立方体Li6.1Al0.3La3Zr2O12(LLZO)框架，浸渍聚偏二氟乙烯(PVDF)，其在25°C时表现出高达0.437 mS/cm的离子导电性和0.72的锂迁移数。

 

该材料具有45.74%的孔隙率，氟化铝石框架提供了连续的离子导电通道，降低了界面电阻，使锂离子的迁移变得高效。该材料的电化学窗口扩展至5.08伏，使其适用于高电压应用。

 

未来展望

 

随着电动汽车继续塑造交通运输的未来，固态电池技术的进步具有重新定义能量存储的巨大潜力。通过解决安全性和能量密度等问题，这一电池创新有望显著延长电动汽车的使用寿命和性能。

 

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