無(wú)鍺固態(tài)電解質(zhì)

 

該研究團(tuán)隊(duì)在在美國(guó)化學(xué)會(huì)（ACS）期刊——《材料化學(xué)（Chemistry of Materials）》上發(fā)表了論文，其技術(shù)方案為：采用錫與硅替代固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的鍺（germanium）元素，因?yàn)樯鲜鰞身?xiàng)材料的化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。相較于液態(tài)電解質(zhì)，新材料提升了鋰離子的導(dǎo)電率。在談?wù)撈溲芯砍晒麜r(shí)，Ryoji Kanno與他的同事表示：“這款固態(tài)電解質(zhì)不含鍺，未來(lái)或許所有固態(tài)電池都會(huì)采用該電解質(zhì)。”

 

配有固態(tài)電解質(zhì)（SEs）的全固態(tài)電池系統(tǒng)有望角逐新一代電池。據(jù)估計(jì)，該類電池所能提供的電量大、能源密度高、性能穩(wěn)定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導(dǎo)體（Sulfide-based lithium-ion conductors）的導(dǎo)電性高、電化學(xué)窗口（也有譯作：“電位范圍”，electrochemical windows）及機(jī)械性能也不錯(cuò)。為此，目前許多機(jī)構(gòu)都在大力研發(fā)固態(tài)電解質(zhì)。

 

Li10GeP2S12（LGPS）是結(jié)晶硫電解質(zhì)產(chǎn)品系列的新成員，其導(dǎo)電性為1.2 × 10−2 S cm−1，可媲美有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)（organic liquid electrolytes）。全固態(tài)電池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS電解質(zhì)，其充放電性能相當(dāng)出色。然而，鍺元素價(jià)格相對(duì)較貴，或?qū)⑾拗芁GPS材料的廣泛應(yīng)用。    

 

在設(shè)計(jì)鋰離子導(dǎo)體時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)類型也是一項(xiàng)重要因素。若不同材料的結(jié)構(gòu)類型相近，且固體的導(dǎo)電性高，那么新材料的導(dǎo)電性能就會(huì)更好。LGPS類結(jié)構(gòu)的鋰離子擴(kuò)散率高。未來(lái)，硅基及錫基的無(wú)鍺材料均可能被用作為固態(tài)電解質(zhì)并得到實(shí)際應(yīng)用。

 

 

新材料的原子排布被命名為L(zhǎng)SSPS。新款無(wú)鍺材料采用的結(jié)果為L(zhǎng)i10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。

 

全固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)

 

相較于采用鋰離子導(dǎo)電液體的常見(jiàn)鋰離子電池，未來(lái)的全固態(tài)電池?fù)碛幸韵聝?yōu)勢(shì)：安全性及可靠性得到提升，儲(chǔ)能量較高、使用壽命更長(zhǎng)。

 

超離子導(dǎo)體（superionic conductors）——固態(tài)晶體（solid crystals）的研究發(fā)現(xiàn)提升了鋰離子的移動(dòng)速率，進(jìn)而促進(jìn)這類電池的研發(fā)進(jìn)展，但這款前景較好的設(shè)計(jì)卻一度依賴于對(duì)稀有金屬鍺的應(yīng)用，由于其價(jià)格過(guò)于昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

 

Kanno表示，由于化學(xué)穩(wěn)定性高且易于裝配，這款新材料提升了對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的可能性，進(jìn)而滿足各類工業(yè)需求及消費(fèi)需求。

 

2011年，Kanno及其團(tuán)隊(duì)成員與豐田汽車(chē)、日本的高能加速研究機(jī)構(gòu)（KEK）開(kāi)展合作，在發(fā)表的論文中引入了結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i10GeP2S12 (LGPS)的固態(tài)電解質(zhì)。該材料在純固態(tài)電池研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)了先手，該團(tuán)隊(duì)還基于LGPS結(jié)構(gòu)研發(fā)其他的固態(tài)電解質(zhì)并取得了成效。

 

優(yōu)化LGPS框架結(jié)構(gòu)提升性能

 

在最近發(fā)布的一篇論文中，研究人員保留了相同的LGPS框架結(jié)構(gòu)，對(duì)錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進(jìn)行了精密調(diào)整。其研究成果LSSPS材料（成分：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)）在室溫下的鋰離子導(dǎo)電性為1.1 x 10-2 S cm-1，幾乎接近最初的LGPS結(jié)構(gòu)的性能。

 

盡管還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，研究人員可根據(jù)其不同的用途來(lái)優(yōu)化材料性能，為降低生產(chǎn)成本帶來(lái)了新希望，且不必犧牲材料的性能。

 

 

循環(huán)伏安圖及充放電曲線。該材料的穩(wěn)定性高，充放電能力強(qiáng)，在20次充放電周期內(nèi)，其容量保持率（capacity retention）高。