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

超强全固态锂电池电解质问世 12分钟快充下可稳定循环超2000周期

超强全固态锂电池电解质问世12分钟快充下可稳定循环超2000周期马骋曾介绍，固态锂电池中的固态电解质，可以杜绝液态电解质带来的“易燃易爆”与漏液等问题，实现安全储能。固态电解质是固态锂电池最核心的部件，但其生产成本和综合性能往往不可兼得，难以满足商业化需求。“虽然固态锂电池具有更高安全性，但其核心部件——固态电解质的原材料成本大多非常高，并且相当一部分性能很好的固态电解质对湿度的稳定性不佳，需要在露点不超过零下40摄氏度的环境下制备和储存，极大增加了生产成本。”马骋坦言，这为全固态电池的商业化带来巨大挑战。超强全固态锂电池电解质问世据安徽日报报道，为了满足实际应用的需求，全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件：高离子电导率——室温下超过1毫西门子每厘米，良好的可变形性——250至350兆帕下实现90%以上致密，以及足够低廉的成本——低于50美元每公斤。但是，目前被广泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固态电解质都无法同时满足这些条件。此次研究中，马骋不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一种，而是转向氧氯化物，设计并合成了一种新型固态电解质——氧氯化锆锂。这种材料具有很强的成本优势。如果以水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，它的原材料成本仅为11.6美元每公斤，很好地满足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化锆、氯化锂、氯化锆进行合成，氧氯化锆锂的成本可以进一步降低到约7美元每公斤，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、铟基氯化物固态电解质的4%。在具备极强成本优势的同时，氧氯化锆锂的综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相当。它的室温离子电导率高达2.42毫西门子每厘米，超过了应用所需要的1毫西门子每厘米，并且在目前报道的各类固态电解质中位居前列。与此同时，它良好的可变形性使材料在300兆帕压力下能达到94.2%致密，可以很好地满足应用需求，也优于以易变形性著称的硫化物、氯化物固态电解质。实验证明，由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态锂电池展示了极为优异的性能：在12分钟快速充电的条件下，该电池仍然成功地在室温稳定循环2000周期以上。目前，中国也有多家电池企业、整车企业以及科研院所等，纷纷布局固态电池产业链上下游。但基于全固态电池的技术难度和高成本，中国企业大部分采取从半固态再到固态的渐进式研发路线，目前公布进展多集中在半固态电池上。日本全固态电池获得新突破在固态锂电池产业化道路上，日企较为激进。今年6月初，丰田宣布固态电池商业化的最新规划，最早到2027年，丰田就将向市场投放搭载固态电池的电动汽车，充电不到10分钟即可行驶约1200公里。日产计划在2028年推出首款搭载固态电池的量产车型；本田规划在2024年启用固态电池的实验生产线，所生产的电池将用于2020年代后半期推出的车型，该生产线的投资将达到430亿日元（约合21亿元人民币）。据界面新闻7月16日报道，近日，日本东京工业大学特聘教授菅野了次等人组成的研究团队，成功提高了全固态电池的快速充电性能和容量。该研究通过新开发基础材料、重新研究制造工艺等方式得以实现，相关文章发表在美国《科学》杂志上。日本东京工业大的上述研究，利用高熵材料设计开发了一种高离子导电性的固体电解质，通过增加已知锂快离子导体的成分复杂性，使得锂离子电导率约为传统材料的2.3-3.8倍，从而能缩短电池充电时间。这意味着，影响电池充电性能的指标较当前传统电池相比最多可提高3.8倍，为目前全球最高水平。此外，研究团队改良了制造工艺，负极采用锂金属代替传统的石墨，使得正极容量按单位电极面积计算较当前提高1.8倍。试制的全固态电池每平方厘米电极的电池容量超过20毫安，这也是全球目前公布的最高水平。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371329.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371329.htm

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质

科学家开发出具有高性能的本征聚合物电解质科学家们从一种交联聚合物中开发出了一种固态电解质，这种电解质具有很高的离子传导性和稳定性，有望用于下一代锂电池。这种新材料在循环300次后仍能保持90%以上的电池存储容量，是目前液态电解质更安全的替代品。这种新开发的高导电性固体电解质可能会为固态锂电池铺平道路。电池通过化学反应储存能量，这取决于带电离子通过电解质从阴极流向阳极。本征聚合物电解质聚合反应路径。资料来源：Li等人遗憾的是，聚合物电解质在室温下的离子电导率太低，无法实用。最近生产并被描述为"固态"的其他电解质实际上含有凝胶。QuanfengDong及其同事设计并合成了一种固态电解质，它由1,3-dioxolane(DOL)和季戊四醇缩水甘油醚(PEG)组成的交联聚合物制成。这种本征聚合物电解质（IPE）具有三维（3D）网状结构，在室温下离子电导率高达0.49毫西门子/厘米，远远高于PEO。本征聚合物电解质的锂离子迁移率高达0.85。使用本征聚合物电解质制造的电池在经过300次充放电循环后，仍能保持90%以上的存储容量。作者说，这种材料可能是下一代高能量密度全固态锂电池的良好选择。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382137.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382137.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

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

有效解决碳酸盐堵塞 新型高能效全固态钠空气电池问世

有效解决碳酸盐堵塞新型高能效全固态钠空气电池问世韩国浦项科技大学材料科学与工程系研究团队成功开发出一种高容量、高效率的全固态钠空气电池，无须特殊设备就能可逆地利用钠（Na）和空气。相关论文发表在最新一期《自然・通讯》杂志上。在本研究中，团队使用了一种名为NASICON的固体电解质。NASICON由钠、硅（Si）和锆（Zr）等元素组成，能在固体中进行离子移动，同时表现出很高的电化学性能和化学稳定性，有效解决了碳酸盐堵塞问题。研究人员表示，这种基于固体电解质的电池平台可在环境条件下保持稳定，提供宽电压范围，有望引领全固态金属－空气电池步入“下一代”。(科技日报)