【前沿科技】保持界面清洁可使固态锂电池容量翻一番

2021年1月25日，优睿科（EurekAlert.com）网站报道，东京工业大学、日本东北大学、国家先进工业科学技术研究所和日本工业学院的科学家通过实验证明，清洁的电解质/电极界面是实现高容量固态锂电池的关键。他们的发现为改进电池设计铺平了道路，提高了移动设备和电动汽车的容量、稳定性和安全性。

图1 高容量固态电池的关键（图片来源：EurekAlert.com）

液态锂离子电池无处不在，在大多数日常移动设备中都能找到。虽然它们拥有相当多的优势，但液体电池也存在显著的风险。近年来，有报道称智能手机因设计错误导致电池电解液泄漏而起火，这一点已经变得越来越明显。其他缺点，如制造成本、耐久性和容量，促使科学家研究另一种不同的技术:固态锂电池（SSLBs）。固态锂电池由固体电极和固体电解质组成，在充放电过程中交换锂离子。固态锂电池更高的能量密度和安全性使其成为非常强大的储能能源。

然而，阻碍固态锂电池商业化的技术挑战仍然很多。在目前的研究中，研究人员进行了一系列实验，并获得了可以将固态锂电池的性能提升到下一个水平的见解。领导这项研究的东京工业大学教授Taro Hitosugi解释了他们的动机:“LiNi_0.5Mn_1.5O₄（LNMO）是一种很有前途的固态锂电池正极材料，因为它可以产生相对较高的电压。在这项研究中，我们展示了电池在2.9V和4.7V下运行，同时实现了大容量、稳定循环和在电解质/电极界面的低电阻。”

以往的研究表明，在基于LNMO的固态锂电池中，产生干净的电解质/电极界面对于实现低界面电阻和快速充电至关重要。科学家们还注意到，Li离子在制备过程中自发地从Li₃PO₄（LPO）电解液迁移到LNMO层，在LNMO中形成Li₂Ni_0.5Mn_1.5O₄（L₂NMO）相，其分布和对电池性能的影响未知。

研究小组研究了Li₀Ni_0.5Mn_1.5O₄（L₀NMO）与Li₂NMO两相在充放电过程中晶体结构的变化。他们还研究了真空制备的干净LPO/LNMO界面上L₂NMO的初始分布，以及电极厚度的影响。

引人注目的是，在固态锂电池充放电过程中，干净的界面有利于Li的插入和脱插入。因此，界面干净的固态锂电池的容量是常规LNMO基电池的两倍。此外，该研究还首次发现了固态锂电池中L₀NMO和L₂NMO相之间的稳定可逆反应。

日本东北大学助理教授、该研究的主要作者川代秀行（Hideyuki Kawasoko）说:“我们的研究结果表明，形成无污染、清洁的LPO/LNMO界面是提高固态锂电池容量同时确保低界面电阻以快速充电的关键。”

除了移动设备，固态锂电池也可以在电动汽车上找到一席之地，因为电动汽车的成本和电池耐久性是商业化推广的主要障碍。该研究的成果为未来的固态锂电池设计提供了重要的见解，并为从化石燃料转向更环保的交通方式铺平了道路。