12月12日，日本橫濱國立大學研究人員開發了一種高容量體積穩定固態電池正極材料，該成果發表在自然材料（Nature Materials）期刊，將其與合適的固體電解質和負極混合，在全固態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生變化

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

本次研究團隊關注的材料是Li_8/7Ti_2/7V_4/7O₂，這是一種由鈦酸鋰(Li₂TiO₃)和二氧化鋰釩(LiVO₂)的優化部分組成的二元系統。材料球磨至適當粒徑，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生的兩種獨立現象之間良好平衡的結果。一方面，“脫鋰”會導致晶體收縮；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。這導致與氧氣的排斥相互作用，進而產生晶格的膨脹。“當收縮和膨脹達到很好的平衡時，電池在充電或放電時（即循環過程中）會保持尺寸穩定性。”

研究人員表示可以通過進一步優化電解質的化學成分來開發一種在電化學循環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為電動汽車充滿電。”

編譯整理 YUXI

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