12月12日，日本橫濱國立大學(xué)研究人員開發(fā)了一種高容量體積穩(wěn)定固態(tài)電池正極材料，該成果發(fā)表在自然材料（Nature Materials）期刊，將其與合適的固體電解質(zhì)和負極混合，在全固態(tài)電池中對其進行了測試——該電池的容量為300mA.h/g，在400次充電/放電循環(huán)后沒有退化。

論文地址：doi.org/10.1038/s41563-022-01421-z

這種正極材料在充放電過程中體積幾乎不會發(fā)生變化

固態(tài)電池（Solid-state batteries，SSBs）在過去幾年中成為研究熱點，相比液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，它的優(yōu)點不僅在于安全性，也在于其充電速度更快。但SSB的耐用性仍是限制其應(yīng)用的主因——當(dāng)鋰離子插入電池的電極或從電極中脫出時，材料的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而使電極膨脹或收縮。這些體積的反復(fù)變化會破壞電極和固體電解質(zhì)之間的界面，并導(dǎo)致電極晶體化學(xué)發(fā)生不可逆的變化。

本次研究團隊關(guān)注的材料是Li_8/7Ti_2/7V_4/7O₂，這是一種由鈦酸鋰(Li₂TiO₃)和二氧化鋰釩(LiVO₂)的優(yōu)化部分組成的二元系統(tǒng)。材料球磨至適當(dāng)粒徑，鋰離子可在充放電過程中插入和提取可逆進行，從而達到高容量。該系統(tǒng)的不凡之處在于，完全充電和完全放電時的體積幾乎相同。

研究人員認為，這是鋰離子插入晶體或從晶體中脫出時發(fā)生的兩種獨立現(xiàn)象之間良好平衡的結(jié)果。一方面，“脫鋰”會導(dǎo)致晶體收縮；另一方面，一些釩離子從它們原來的位置遷移到鋰離子留下的空間，以獲取更高的氧化態(tài)。這導(dǎo)致與氧氣的排斥相互作用，進而產(chǎn)生晶格的膨脹。“當(dāng)收縮和膨脹達到很好的平衡時，電池在充電或放電時（即循環(huán)過程中）會保持尺寸穩(wěn)定性。”

研究人員表示可以通過進一步優(yōu)化電解質(zhì)的化學(xué)成分來開發(fā)一種在電化學(xué)循環(huán)中保持其體積的材料，以此制造出在價格、安全性、容量、充電速度和壽命方面足以用于電動汽車的電池。“例如，在未來有可能在短短五分鐘內(nèi)為電動汽車充滿電。”

編譯整理 YUXI

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