基于溶液制造固態(tài)電池電解質(zhì)

蓋世汽車訊 比起易燃的有機電解液，固態(tài)無機電解質(zhì)本身不易燃；而且，用鋰金屬代替石墨作為負極，可使電池的能量密度大幅提升(高達10倍)。因此，固態(tài)電池有望成為電動汽車的突破性技術(shù)。然而，要將固態(tài)電池推向市場，仍面臨很大的問題，即如何制造出既堅固耐用又足夠薄的電解質(zhì)，來作為良好的離子導(dǎo)體。在理想情況下，這些電解質(zhì)應(yīng)該只有幾十微米厚，類似于今天鋰離子電池的隔板，但是大多數(shù)固體電解質(zhì)采用的是陶瓷材料，如果做得太薄，很容易破碎。

據(jù)外媒報道，加州大學(xué)圣地亞哥分校材料科學(xué)家Ping Liu，以及馬里蘭大學(xué)和加州初創(chuàng)公司Liox Power研究人員，開發(fā)了一種制造固態(tài)電池電解質(zhì)的新技術(shù)。在制造過程中，通過對溶液進行干燥，形成離子導(dǎo)電復(fù)合材料，這種材料可同時作為電解質(zhì)和正極涂層。

該電解質(zhì)溶液是一種含有β-硫代磷酸鋰(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究團隊通過多種方式來合成這種材料，包括使用不同的親核試劑、溶劑和機械支持物，但最關(guān)鍵的起始成分總是硫化鋰(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所產(chǎn)生的β-Li3PS4溶液很清澈，在干燥時形成非常均勻的電解質(zhì)層，可以直接沉積在硫化鋰正極上。Liu說:“我們通過連續(xù)的過程來制造電池，而不需要分別制造單獨的層體，所以，不必費力處理非常薄的材料?！?/p>

傳統(tǒng)鋰離子電池和固態(tài)電池制造技術(shù)，通常是將單層電解質(zhì)堆疊組合在一起。這種能源密集型技術(shù)，需要用球磨機混合粉末與粘合劑，然后將其鑄造成板材，再通過高溫和高壓平臺，進行燒結(jié)或壓制。Liu的方法解決了這些問題。另外，研究人員對β-Li3PS4溶液進行調(diào)整，以防止枝晶生長，從而打造更安全的電池。

鋰枝晶的形成，是由于電場不均勻、表面化學(xué)或其他原因，導(dǎo)致鋰離子在負極表面發(fā)生不均勻沉積，從而形成針狀突起。如果任由枝晶形成，就會引起火災(zāi)。CSIRO的Best稱：“負極上長出來的枝晶，與正極接觸，會引起局部過熱，溫度可能高達1500到2000攝氏度。”研究團隊開發(fā)的電解質(zhì)，可與枝晶自發(fā)反應(yīng)，形成惰性產(chǎn)物，有助于防止電池短路。Liu說：“這與傷口上長疤的過程非常相似。因此，我們稱它為一種自我愈合和自我形成的機制?！?/p>

目前為止，研究人員已經(jīng)為這種獨特的電解質(zhì)制造技術(shù)申請了五項專利。研究團隊希望，在未來兩至三年內(nèi)，以每千瓦時低于100美元的成本，制造出容量為2Ah的固態(tài)電池工作原型，接近今天大多數(shù)智能手機電池的容量，進一步推進固態(tài)電池的商業(yè)化進程。