新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革

新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革固态电解质的必要性目前的商用电池亟需解决的一个问题是对液态电解质的依赖，而液态电解质存在易燃和爆炸的风险。因此，开发不可燃的固体电解质对于推动固态电池技术的发展至关重要。在全球向可持续交通转变的过程中，全世界都在加紧管制内燃机汽车并扩大电动汽车的使用，因此，对二次电池核心部件，尤其是固态电池的研究取得了显著的进展。金属离子（本例中为钇）在各层中的排列会影响离子导电性。为确保锂离子畅通无阻地移动，每层中占据可用位置的金属离子数量应少于0.444。此外，要在每一层中为锂离子创造足够宽的通道，金属离子的占有率应大于0.167。因此，每层内金属离子的占有率应介于0.167和0.444之间，这样才能形成具有高离子电导率的导电层。资料来源：基础科学研究所要使固态电池在日常使用中切实可行，关键是要开发出具有高离子导电性、强大的化学和电化学稳定性以及机械灵活性的材料。虽然之前的研究成功地开发出了具有高离子电导率的硫化物和氧化物基固体电解质，但这些材料都不能完全满足所有这些基本要求。氯化物基固体电解质的研究进展过去，科学家们也曾对氯化物基固体电解质进行过探索。氯化物基固体电解质以其卓越的离子导电性、机械柔韧性和高电压稳定性而著称。这些特性使一些人推测氯化物电池最有可能成为固态电池。然而，这些希望很快就破灭了，因为氯化物电池严重依赖昂贵的稀土金属（包括钇、钪和镧系元素）作为辅助成分，因此被认为是不切实际的。为了解决这些问题，IBS研究小组研究了金属离子在氯化物电解质中的分布。他们认为，三元氯化物电解质之所以能达到较低的离子电导率，是基于结构中金属离子排列的变化。他们首先在氯化锂钇（一种常见的氯化锂金属化合物）上测试了这一理论。当金属离子位于锂离子通路附近时，静电力会阻碍锂离子的移动。相反，如果金属离子的占有率过低，锂离子的移动路径就会变得过于狭窄，从而阻碍锂离子的移动。基于这些见解，研究小组引入了设计电解质的策略，以缓解这些相互冲突的因素，最终成功开发出一种具有高离子电导率的固体电解质。研究小组还进一步成功地展示了这一策略，创造出一种基于锆的锂金属氯化物固态电池，其成本远远低于采用稀土金属的变体。这是首次证明金属离子排列对材料离子导电性的重要影响。金属离子分布的影响这项研究揭示了金属离子分布在氯基固体电解质离子电导率中经常被忽视的作用。预计IBS中心的研究将为各种氯基固体电解质的开发铺平道路，并进一步推动固态电池的商业化，有望提高能源存储的经济性和安全性。通讯作者KangKisuk说："这种新发现的氯化物基固体电解质有望突破传统硫化物和氧化物基固体电解质的限制，使我们离固态电池的广泛应用更近了一步。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394587.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394587.htm

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质锂离子电池（LIB）为智能手机和平板电脑提供电力，驱动电动汽车，并在发电厂储存电力。大多数锂离子电池的主要成分是锂钴氧化物（LCO）阴极、石墨阳极以及为阴极和阳极的解耦反应提供移动离子的液态电解质。这些电解质决定了电极上形成的相间层的性质，从而影响电池循环性能等特性。然而，商用电解质大多仍基于30多年前配制的系统：1.0至1.2摩尔/升六氟磷酸锂（LiPF6）在羧酸酯（"碳酸溶剂"）中的溶液。在过去的十年中，高浓度电解质（>3mol/L）得到了发展，它们有利于形成坚固的无机主导相间层，从而提高了电池性能。然而，这些电解质粘度高、润湿能力差、导电性差。由于需要大量的锂盐，这些电解质的价格也非常昂贵，而这往往是影响可行性的一个关键参数。为了降低成本，超低浓度电解质（<0.3mol/L）的研究也已开始。这些电解质的缺点是，电池电池分解的溶剂多于少量的盐阴离子，从而导致有机物占主导地位，相间层的稳定性较差。由宁波大学（中国）和波多黎各大学里奥皮德拉斯校区（美国）的袁金良、夏岚和吴先勇领导的研究小组现已开发出一种超低浓度电解质，可能适用于锂离子电池的实际应用：LiDFOB/EC-DMC。LiDFOB（二氟草酸硼酸锂）是一种常见的添加剂，价格比LiPF6便宜得多。EC-DMC（碳酸乙酯/碳酸二甲酯）是一种商用碳酸酯溶剂。这种电解液的含盐量低至2重量百分比（0.16摩尔/升），但离子电导率却高达4.6mS/cm，足以使电池正常工作。此外，DFOB-阴离子的特性还能在LCO和石墨电极上形成以无机物为主的坚固相间层，从而在半电池和全电池中实现出色的循环稳定性。目前使用的LiPF6会在潮湿环境中分解，释放出剧毒和腐蚀性的氟化氢气体（HF），而LiDFOB则对水和空气稳定。使用LiDFOB的LIB不需要严格的干燥室条件，而可以在环境条件下制造，这又是一个节约成本的特点。此外，回收问题也会大大减少，从而提高可持续性。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428465.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428465.htm

斯坦福大学研究人员运用高盐电解质设计出防燃电池

斯坦福大学研究人员运用高盐电解质设计出防燃电池我们的手机、笔记本电脑和电动汽车中的锂离子电池有一定的起火风险，因为它们在运行时产生热量。我们已经看到许多有趣的方法来管理这种风险，包括集成阻燃剂、提醒用户注意过热的警告系统，以及在过热发生之前关闭设备的熔断开关。许多有希望的解决方案集中在可燃液体电解质上，它在电池的两个电极之间携带电流。缺陷和温度上升会导致这些电解质膨胀和/或点燃，然后可能导致智能手机或电动汽车起火。这一过程通常在140°F（60°C）左右发生，电解质中的溶剂开始蒸发并从液体变成气体。斯坦福大学的研究生、这项新研究的第一作者RachelZHuang说："电池行业最大的挑战之一就是这个安全问题，所以有很多努力在尝试制造一种安全的电池电解质。"斯坦福大学的研究生RachelHuang共同开发了一种用于锂电池的新型电解质Jian-ChengLai/StanfordUniversity黄和她在斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的同事已经开发出一种能够承受高温而不起火的电池。这种基于聚合物的新型电解质包含了大量的锂盐，称为LiFSI，占其总重量的63%。与直觉相反的是，它与易燃的溶剂分子配对，两者形成一种共生关系，有利于电池的安全和性能。溶剂分子使电解质能够传导离子，并达到与传统电解质相同的性能，而高浓度的盐则固定了这些分子，防止它们蒸发，进而防止火灾。该团队的不易燃电解质在锂离子电池中进行了测试，它能够从室温一直安全运行到212°F（100°C）。在左边可以看到标准的电池材料起火，而在右边可以看到一种新颖的不易燃材料能够抵御这种情况。斯坦福大学的教授ZhenanBao说："这项新发现为基于聚合物的电解质设计指出了一条新的思路。这种电解质对于开发未来既高能量密度又安全的电池非常重要"。该团队的新电解质的一个关键特征是，它具有类似于传统电解质的胶状形式，这意味着它可以与现有的电池部件集成，而不像其他实验性的不易燃电解质。该团队认为在电动汽车的应用中特别有潜力，在那里电池可以更紧密地挤在一起，而没有过热的风险。这将等同于提高能量密度和扩大范围。研究作者YiCui说："这种非常令人兴奋的新电池电解质与现有的锂离子电池技术兼容，并将对消费电子和电气运输产生巨大影响。"这项研究发表在《物质》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334701.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334701.htm

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子克服了与金属有关的问题，包括形成被称为"树枝状"的结构，这种结构会影响电池性能，并对环境造成负面影响。研究人员利用基于二羟基苯醌的有机负极和Nafion聚合物电解质开发出一种全固态可充电空气电池。图片来源：早稻田大学KenjiMiyatake然而，这些电池使用的液态电解质与金属基电池一样，会带来高电阻、浸出效应和易燃性等重大安全隐患。现在，在最近发表于《AngewandteChemieInternationalEdition》的一项新研究中，一组日本研究人员开发出了一种全固态可充电空气电池（SSAB），并对其容量和耐用性进行了研究。这项研究由早稻田大学和山梨大学的宫武健治（KenjiMiyatake）教授领导，早稻田大学的小柳津研一（KenichiOyaizu）教授为共同作者。研究人员选择了一种名为2,5-二羟基-1,4-苯醌（DHBQ）的化学物质及其聚合物聚（2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基）（PDBM）作为负极的活性材料，因为它们在酸性条件下可进行稳定和可逆的氧化还原反应。此外，他们还利用一种名为Nafion的质子传导聚合物作为固态电解质，从而取代了传统的液态电解质。"据我所知，目前还没有开发出基于有机电极和固体聚合物电解质的空气电池，"Miyatake说。在SSAB就位后，研究人员对其充放电性能、速率特性和循环性进行了实验评估。他们发现，与使用金属负极和有机液态电解质的典型空气电池不同，SSAB在有水和氧气存在的情况下不会变质。此外，用聚合物PDBM取代氧化还原活性分子DHBQ可以形成更好的负极。在1mAcm-2的恒定电流密度下，SSAB-DHBQ的每克放电容量为29.7mAh，而SSAB-PDBM的相应值为176.1mAh。这种电池采用基于二羟基苯醌的聚合物负极和基于Nafion的固体电解质，具有很高的库仑效率和放电容量。研究人员还发现，SSAB-PDBM的库仑效率在4C时为84%，在101C时逐渐下降到66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30个循环后降低到44%，但通过增加负极中质子传导聚合物的含量，研究人员可以将其显著提高到78%。电子显微镜图像证实，添加Nafion提高了基于PDBM的电极的性能和耐用性。这项研究展示了由氧化还原活性有机分子作为负极、质子传导聚合物作为固态电解质以及氧还原扩散型正极组成的SSAB的成功运行。研究人员希望，这将为进一步的进步铺平道路。这项技术可以延长智能手机等小型电子设备的电池寿命，最终为实现无碳社会做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375365.htm

中国科大开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族

中国科大开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族得益于镧系金属元素的低电负性，以及金属氯化物良好的耐氧化性和可变形性，镧系金属卤化物基固态电解质可直接与锂金属负极和三元正极匹配，实现无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂金属电池。相关研究成果以《ALaCl3-basedlithiumsuperionicconductorcompatiblewithLimetal》为题，于4月5日发表在Nature杂志上。金属卤化物固态电解质（LixMCl6,M为金属元素）因其宽电化学窗口、良好的室温电导率和不错的可变形性，展现出比氧化物/硫化物固态电解质更好的高电压氧化物正极适配性。2018年以来，基于Li3YCl6、Li3InCl6和Li3ScCl6等金属卤化物固态电解质的全固态锂电池实现了搭载钴酸锂、镍钴锰等4V级正极的长循环，引起了广泛关注。然而，目前报道的大多数LixMCl6金属卤化物固态电解质采用易被还原的金属元素构建传导框架，导致对锂金属不稳定，只能采用高电位的锂铟合金，限制了高能量密度全固态锂金属电池的开发。同时，传统的LixMCl6晶格中氯离子是六方或立方紧密堆积，其空间体积较小，对锂离子的传导有一定限制，使其电导率大多在1mS/cm。因此，开发对锂金属负极稳定的新型快离子导体框架结构是发展高比能全固态锂金属电池面临的关键挑战。针对以上问题，团队成员发现，以LaCl3为代表的镧系金属卤化物LnCl3（Ln=La,Ce,Pr,Nd,Sm等）晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。分子动力学的模拟预测表明，具有独特非密堆积氯离子排列方式的LaCl3框架可实现13.8mScm-1的室温离子电导率（图1）。团队成员选择高价离子掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的Li0.388Ta0.438La0.475Cl3表现出3.02mScm-1的高室温离子电导率和0.197eV的低活化能，优于传统氧化物和最近报道的卤化物固态电解质，可与部分硫化物电解质相媲美（图2）。镧的低电负性和梯度界面层的形成赋予了LaCl3基电解质对锂金属良好的稳定性，组装的锂金属对称电池以0.2mAcm-2的电流密度和1mAhcm-2的面容量可稳定循环5000小时以上（图3）。基于此，组装的全固态锂金属原型电池无需负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温下百圈以上的循环（图4）。此外，团队成员还发现，镧系金属卤化物可容纳大量异种非镧系金属元素，且在此状态下仍能保持快离子传输的UCl3晶型结构特征。这个性质赋予了镧系金属卤化物框架极强的可拓展性，使镧系金属卤化物固态电解质LixMyLnzCl3在未来通过合理的元素设计，具备实现更高界面稳定性、更快离子传导和更廉价原料成本的巨大潜力。具备UCl3晶型特征结构的镧系金属卤化物固态电解质LixMyLnzCl3将成为如硫化物中LGPS结构、氧化物中LLZO结构的一个全新的电解质家族。中国科学技术大学殷逸臣（博士后）、杨竞天（硕士生）、罗锦达（硕士生）和浙江工业大学卢功勋（博士）为本文的共同第一作者；中国科学技术大学姚宏斌教授、李震宇教授与浙江工业大学陶新永教授为本文的共同通讯作者。本工作得到中科院先导计划、国家自然科学基金委、稀土资源利用国家重点实验室开放基金、中国科学技术大学原创探索项目、中国科学技术大学“双一流”专项基金的资助。本工作特别致谢北京大学深圳研究院肖荫果研究员、黄中垣博士，合肥微尺度物质科学国家研究中心的龚科老师、汪琳俊老师，高德英特(北京)科技有限公司应用科学家鞠焕新博士和上海同步辐射光源的文闻研究员在表征和分析方面的大力帮助与支持。合肥国轩高科动力能源有限公司的吴叶超、中国科学技术大学本科生王建平参与完成了本工作。图1.LaCl3基固态电解质的设计理念图2.LaCl3基固态电解质的离子传输性能和机制图3.LaCl3基固态电解质的锂金属界面稳定性图4.LaCl3基固态电解质的全固态锂金属电池论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05899-8...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354103.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354103.htm

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命金属锂因其能量密度优于其他材料而被选为电池阳极，这是一个明智的选择。然而，电极与电解液之间的界面存在挑战，这为在未来应用中实现更安全、更高效的性能提供了改进机会。金属锂阳极的挑战和解决方案清华大学的研究人员一开始热衷于用金属锂阳极取代石墨阳极，以构建能量密度更高的电池系统。然而，锂金属并不稳定，很容易与电解质发生反应，形成固体-电解质相（SEI）。遗憾的是，天然的SEI既脆又易碎，因此寿命和性能都很差。在此，研究人员研究了一种天然SEI的替代品，它可以有效缓解电池系统内的副反应。答案就是ASEI：人工固态电解质相。ASEI纠正了困扰裸锂金属阳极的一些问题，使其成为更安全、更可靠、甚至更强大的电源，可更放心地用于电动汽车和其他类似应用。研究成果的发表和意义9月25日，研究人员在《能源材料与器件》（EnergyMaterialsandDevices）杂志上发表了他们的研究成果。电池技术正在彻底改变我们的生活方式，与每个人的生活息息相关。为了实现真正的无碳经济，需要性能更好的电池来取代目前的锂离子电池。每个楔形层由不同的电极-电解质界面结构组成，有助于对锂金属电极进行实用的全面设计。资料来源：王艳艳，阿德莱德大学锂金属电池（LMB）就是这样一种候选电池。然而，阳极（金属锂）与电解质具有反应性，在电池运行过程中会在金属锂表面形成钝化层，即固体-电解质间相。锂金属阳极的另一个问题是电池充电时出现的所谓"枝晶生长"。枝晶看起来像树枝结构，会造成电池内部损坏，刺穿隔膜导致短路、性能不佳和潜在的安全隐患。这些弱点降低了锂金属电池板的实用性，并提出了一些必须解决的挑战。改进锂金属阳极的策略上文介绍了一些可用于制造更有效、更安全的锂金属阳极的策略。研究人员发现，要改进锂金属阳极，必须使锂离子分布均匀，这有助于减少电池负电荷区域的沉积物。这反过来又会减少枝晶的形成，从而防止过早衰变和短路。此外，在确保各层电绝缘的同时，为锂离子扩散提供更便捷的途径，有助于在电池循环过程中保持结构的物理和化学完整性。最重要的是，减少电极与电解液界面之间的应变可确保各层之间的适当连接，而这正是电池功能的重要组成部分。ASEI层的潜力和未来方向看来最有潜力的策略是聚合物ASEI层和无机-有机混合ASEI层。聚合物层在设计上有足够的可调节性，强度和弹性都很容易调节。聚合物层还具有与电解质相似的官能团，因此具有极高的兼容性；而这种兼容性正是其他元件所缺乏的主要方面之一。无机-有机混合层的最大优点是减少了层厚度，明显改善了层内成分的分布，从而提高了电池的整体性能。ASEI层的前景是光明的，但也需要一些改进。研究人员主要希望改善ASEI层在金属表面的附着力，从而全面提高电池的功能和寿命。需要注意的其他方面还有：层内结构和化学成分的稳定性，以及尽量减小层的厚度以提高金属电极的能量密度。一旦这些问题得到解决，改进型锂金属电池的前路就会一片光明。了解更多：https://doi.org/10.26599/EMD.2023.9370005...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397963.htm