迈向更好的固态电池之路

来自劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和佛罗里达州立大学的一个团队为固态电池设计了一个新的蓝图，这些电池对特定化学元素的依赖程度较低，特别是由于供应链问题而难以采购的关键金属。他们的工作最近发表在《科学》杂志上，可以推进高效且价格合理的固态电池。

固态电池因其高能量密度和卓越的安全性而受到吹捧，可能会改变电动汽车行业的游戏规则。但是，开发一种价格合理且导电性足以为一次充电为汽车提供数百英里动力的产品长期以来一直是一个需要克服的挑战性障碍。

“使用我们的固态电池新方法，您不必放弃对性能的负担能力。我们的工作是第一个通过设计一种固体电解质来解决这个问题的，不仅有一种金属，而且有一个负担得起的金属团队，“共同第一作者，伯克利实验室材料科学部的科学家Yan Zeng说。

在锂离子电池中，电解质就像一个传输集线器，锂离子随电荷移动，为设备供电或为电池充电。

与其他电池一样，固态电池储存能量，然后将其释放到功率设备中。但是，它们不是锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质，而是使用固体电解质。

政府、研究和学术界在固态电池的研发上投入了大量资金，因为为许多商用电池设计的液体电解质更容易过热、起火和失电。

然而，迄今为止制造的许多固态电池都是基于特定类型的金属，这些金属价格昂贵且无法大量获得。有些在美国根本找不到。

在目前的研究中，Zeng与佛罗里达州立大学化学和生物化学助理教授Bin Ouyang以及伯克利实验室教师高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Gerbrand Ceder一起展示了一种由各种金属元素混合物组成的新型固体电解质。Zeng和Ouyang 在 Ceder 的监督下在伯克利实验室和加州大学伯克利分校完成博士后研究时，首先提出了这项工作的想法。

新材料可以产生更具导电性的固体电解质，从而减少对大量单个元素的依赖。

在伯克利实验室和加州大学伯克利分校的实验中，研究人员通过合成和测试几种具有多种混合金属的锂离子和钠离子材料来展示新的固体电解质。

他们观察到，新的多金属材料的性能比预期的要好，显示出比单金属材料快几个数量级的离子电导率。离子电导率是衡量锂离子移动以传导电荷的速度的指标。

研究人员推测，将许多不同类型的金属混合在一起会产生新的途径 - 就像在拥挤的高速公路上增加高速公路一样 - 锂离子可以通过电解质快速移动。Zeng解释说，如果没有这些途径，锂离子的运动将是缓慢和有限的，当它们从电池的一端穿过电解质到另一端时。

为了验证多金属设计的候选者，研究人员在国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机上基于称为密度泛函理论的方法进行了高级理论计算。

使用分子铸造厂的扫描透射电子显微镜(STEM)，研究人员证实每种电解质仅由一种材料制成 - 科学家称之为“单相” - 异常的扭曲导致其晶体结构中的新离子传输途径。

这一发现为设计下一代离子导体提供了新的机会。这项研究的下一步是应用Zeng与伯克利实验室的Ceder开发的新方法，进一步探索和发现可以进一步提高电池性能的新型固体电解质材料。