研究人员开发弹性固体电解质 推动新一代锂离子电池发展

（图源：gatech官网） 

近年来，随着锂离子电池的普及，全球的钴和镍供应压力不断增长（目前电池设计中必需的两种金属），并且价格飙升。据外媒报道，为了开发新的替代性锂基电池，减少对稀有金属的依赖性，佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员研制出新型正极和电解质系统，采用低成本过渡金属氟化物和固体聚合物电解质，取代贵金属和传统液体电解质。 

佐治亚理工学院材料科学和工程学院教授Gleb Yushin表示：“长期以来，用过渡金属氟化物制造电极，一直存在稳定性差和快速失效的问题。对于能否把它应用于一下代电池设计，人们一直持有很大的质疑。但是，我们已经证明，当与一种固体聚合物电解质一起投入使用时，这种金属氟化物表现出卓越的稳定性，即使在高温状态下也是如此。因此，完全可以用它来设计更安全、更轻量级和成本更低的锂离子电池。” 

在典型的锂离子电池中，锂离子通过在正负极两个电极间流动释放能量。其中，正极通常是由锂和过渡金属构成，比如钴、镍和锰。电极之间的离子流动通过液体电解质实现。在本次研究中，研究团队采用氟化铁活性物质和固体聚合物电解质纳米复合材料，制造新型正极。氟化铁所提供的锂容量是传统钴基或镍基正极的2倍多。而且，铁的价格要比钴便宜300倍，比镍低150倍。 

为了生产这种正极，研究人员专门开发出一种制造工艺，可使固体聚合物电解质渗透到预制氟化铁电极中。接着，对整个结构进行热压，以增加密度并减少空隙。这种基于聚合物的电解质具有两大核心特色，那就是它在循环过程中具有弯曲性，能够适应氟化铁溶胀；而且，可以与氟化铁形成非常稳定且有弹性的界面。在以往电池设计中，使用氟化铁会出现溶胀和大量的副反应，这一直是关键性问题。 

Yushin表示：“利用氟化铁制造的正极具有高密度、低成本等优点，而且铁的储量丰富，所以这种正极拥有广阔的发展前景。但是，以前采用这种电极，在循环过程中，会出现数量变化和液体电解质寄生副反应，以及其他性能衰退问题，限制其使用。采用弹性固体电解质，可以有效解决这些问题。” 

研究人员接着测试几种新型固态电池变体，在122度华氏温度下，进行300次充放电循环，分析其性能表现。值得一提的是，即使冷却至室温，它们的表现也超过以往的金属氟化物。 

研究人员指出，提升电池性能的关键在于固态聚合物电解质。以前尝试使用金属氟化物时，会认为金属离子移动至正极表面，最终溶解至液体电解质，造成容量损耗，特别是在高温下。另外，当电池在华氏100度以上运行时，金属氟化物能促使液体电解质大量分解。然而，如果将固态电解质和正极结合起来，就不会出现溶解，固态电解质可以保持非常稳定的状态，防止电池失效。 

Yushin所在实验室的研究科学家Kostiantyn Turcheniuk表示：“我们使用的聚合物电解质非常普遍。但是，还有很多固态电解质，以及电池或电极结构，比如核壳粒子形态，同样能够明显减弱甚至完全防止寄生副反应发生，实现稳定的性能特征。” 

末来的时间，研究人员将致力于开发新的固态电解质，提高其性能，以实现快速充电。并将在新的设计中，将固体和液体电解质结合起来，使其与大型电池工厂采用的传统电池制造工艺完全兼容。