日本在室溫下合成陶瓷柔性片狀電解質(zhì) 可加速鋰金屬電池上市

日本首都大學東京（四月變更為東京都立大學）研發(fā)了一種為鋰金屬電池打造陶瓷柔性電解質(zhì)薄片的新方法。研究人員將石榴石型陶瓷、聚合物粘合劑和一種離子液體混合在一起，打造出一種類固態(tài)片狀電解質(zhì)。由于研究人員在室溫下進行合成，因而與現(xiàn)有在高溫下（>1000°C）進行的工藝相比，該新方法的耗能大大降低。此外，該電解質(zhì)能夠在很大的溫度范圍內(nèi)工作，是一種前景非常好的電解質(zhì)，可用于電動汽車等設備的電池中。

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（圖片來源：東京都立大學）

化石燃料滿足了全球大部分的能源需求，包括電力。不過，化石燃料正在被耗盡，而且燃燒化石燃料會導致二氧化碳和有毒氮氧化物等其他污染物直接排放到大氣中。全球都要向更清潔的可再生能源進行轉(zhuǎn)型，不過，風能和太陽能的可再生能源往往是間歇性能源，因為風不會一直吹，而晚上也沒有太陽。因此，要研發(fā)先進的能源存儲系統(tǒng)，更高效地利用此種間歇性可再生能源。自1991年，索尼公司實現(xiàn)鋰離子電池的商業(yè)化以來，此類電池就對現(xiàn)代社會造成了深遠的影響，為多種便攜式電子產(chǎn)品和無繩吸塵器等家用電器供應動力。不過，電動汽車仍要最先進的鋰離子技術，而且電池的容量和安全性要得到很大的改進。

因此，很多科學家開始研究鋰金屬電池。因為從理論上看，鋰金屬陽極的容量比現(xiàn)有的商用石墨陽極的容量更高。不過，鋰金屬陽極仍存在技術障礙。例如，在液態(tài)電池中，可能會生長鋰枝晶，導致電池短路，甚至引發(fā)火災和爆炸。不過，固態(tài)無機電解質(zhì)就明顯更安全。而石榴石型（結(jié)構(gòu)形狀）陶瓷Li7La3Zr2O12，即LLZO，由于具備離子電導率高且能與鋰金屬兼容，被廣泛認為是一種很有前景的固態(tài)電解質(zhì)材料。不過，生產(chǎn)高密度的LLZO電解質(zhì)要高達1200°C的燒結(jié)溫度，既浪費能源又耗時，因而很難大規(guī)模生產(chǎn)LLZO電解質(zhì)。此外，LLZO電解質(zhì)很脆，其與電極材料之間的物理接觸性能差，通常導致接觸界面電阻高，極大了限制了其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應用。

因此，東京都立大學的一個研究小組在KiyoshiKanamura教授的領導下，開始研發(fā)一種能夠在室溫下制作的柔性復合LLZO片狀電解質(zhì)。研究人員在薄薄的聚合物基材上澆上LLZO陶瓷泥漿，就像在吐司上涂上黃油相同。然后，再放到真空爐中進行干燥，之后，該款75微米厚的片狀電解質(zhì)會被浸泡到離子液體（IL）中，以提升其離子電導率。離子液體就是室溫下的液體鹽，眾所周知，其導電率高，而且?guī)缀醪灰兹迹膊粨]發(fā)。在該片狀電解質(zhì)內(nèi)部，離子液體成功填補了結(jié)構(gòu)中的微小缺口，橋接了LLZO顆粒，為鋰離子形成一個有效通道；此外，還有效降低了陰極接觸界面的電阻。在進一步研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中的鋰離子既在離子液體，也在LLZO顆粒中擴散，因而離子液體和LLZO顆粒都突出發(fā)揮了用途。該合成法非常簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且整個過程都在室溫下進行，無需高溫燒結(jié)。

盡管仍存在一些挑戰(zhàn)，該研究小組表示，該柔性復合片狀電解質(zhì)所具備的機械魯棒性和可操作性使其能夠在更大的溫度范圍內(nèi)工作，也使其成為了鋰金屬電池的理想電解質(zhì)。新合成法非常簡單也意味著可能會比預想的時間更早看到此種高容量的鋰金屬電池上市。