電動(dòng)汽車(chē)被廣泛認(rèn)為是取代傳統(tǒng)汽車(chē)的最佳選擇。然而，電動(dòng)汽車(chē)一般采用的是成本較高的鋰離子電池，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比。
過(guò)去幾年里，固態(tài)電池（SSB）逐漸受到很多研究人員的青睞。傳統(tǒng)的鋰離子電池包含液體電解質(zhì)，鋰離子在充電/放電過(guò)程中會(huì)在其中流動(dòng)，而SSB則完全由固體材料制成。除了操作安全性的巨大改進(jìn)（電池在被刺破是不會(huì)溢出有毒液體），SSB的充電速度也快得多。
但當(dāng)鋰離子被嵌入至或被從SSB的電極提取時(shí)，材料的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而使電極膨脹或收縮。這些體積的反復(fù)變化會(huì)破壞電極和固體電解質(zhì)之間的界面，并導(dǎo)致電極的晶體化學(xué)發(fā)生不可逆的變化。
據(jù)外媒報(bào)道，由日本橫濱國(guó)立大學(xué)（Yokohama National University）Naoaki Yabuuchi教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究出一種在SSB中具有超強(qiáng)穩(wěn)定性的新型正極材料。相關(guān)論文已發(fā)表于期刊《Nature Materials》，合著者還有澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)（UNSW）的Neeraj Sharma副教授，和日本LIBTEC的Takuhiro Miyuki博士。
圖片來(lái)源：橫濱國(guó)立大學(xué)
該研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的材料是Li8/7Ti2/7V4/7O2，一種由鈦酸鋰（Li2TiO3）和二氧化鋰釩（LiVO2）的優(yōu)化部分組成的二元系統(tǒng)。當(dāng)球磨至納米級(jí)的適當(dāng)粒徑時(shí)，這種材料具有較高容量，這是因?yàn)槠浯罅夸囯x子可以在充/放電過(guò)程中可逆地嵌入和提取。
與其他正極材料不同，Li8/7Ti2/7V4/7O2在完全充電和完全放電時(shí)的體積幾乎相同。研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究并得出結(jié)論，即這是鋰離子從晶體中嵌入或提取時(shí)的兩種獨(dú)立現(xiàn)象之間良好平衡的結(jié)果。
一方面，鋰離子的去除或“脫鋰”會(huì)導(dǎo)致晶體中自由體積的增加，從而使晶體收縮。另一方面，一些釩離子會(huì)從原來(lái)的位置遷移到鋰離子留下的空間，在這個(gè)過(guò)程中獲得更高的氧化態(tài)，從而與氧氣發(fā)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生晶格膨脹。
Yabuuchi教授表示：“當(dāng)收縮和膨脹達(dá)到很好的平衡時(shí)，電池在充電或放電時(shí)（即循環(huán)過(guò)程中）會(huì)保持尺寸穩(wěn)定性。我們預(yù)計(jì)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化電解質(zhì)的化學(xué)成分來(lái)開(kāi)發(fā)一種真正尺寸不變的材料——一種可在電化學(xué)循環(huán)中保持其體積的材料。”
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將這種新型正極材料與合適的固體電解質(zhì)和負(fù)極相結(jié)合，在全固態(tài)電池中對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。該電池表現(xiàn)出300 mAh/g的非凡容量，并且在400次充電/放電循環(huán)中沒(méi)有退化。
Sharma教授解釋道：“400次循環(huán)后容量依然沒(méi)有衰減，這清楚地表明這種材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的分層材料全固態(tài)電池。這一發(fā)現(xiàn)可以大大降低電池成本。實(shí)用的高性能固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)可以推動(dòng)先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?！?/p>
通過(guò)進(jìn)一步細(xì)化尺寸不變的電極材料，可能很快就能制造出在價(jià)格、安全性、容量、充電速度和壽命方面均可滿足電動(dòng)汽車(chē)要求的電池。
Yabuuchi教授表示：“長(zhǎng)壽命和高性能固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)將解決電動(dòng)汽車(chē)的部分問(wèn)題。例如在未來(lái)，在短短五分鐘內(nèi)即可為電動(dòng)汽車(chē)充滿電?！毖芯咳藛T希望該領(lǐng)域取得更多進(jìn)展，以加速電動(dòng)汽車(chē)的采用，為地球建設(shè)一個(gè)更綠色的未來(lái)。
