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近日，美国桑迪亚国家实验室完成了一项为期三年的项目，证实穿过电池不同材料界面的锂离子流是改进固态锂离子电池性能的一个主要因素，研究成果发表在《纳米快报》。 图为全电池架构的示意图，以及真实电池显微图像的横截面 桑迪亚实验室为期三年的“实验室定向研究和发展”项目研究了固态电池纳米尺度下的化学特性，聚焦于电极和电解质的接触区域。此外，此项研究还得到了美国能源部科学办公室的资金支持。 桑迪亚实验室的物理学家Farid El Gabaly说：“这项工作的潜在目标是使固态电池更具效率，以及改进不同材料间的界面。在这个项目中，所有的材料都是固态的，并没有传统锂离子电池中的液态-固态界面。” 图为Forrest Gittleson（左）和Farid El Gabaly（右） El Gabaly表示，桑迪亚国家实验室对这项研究感兴趣主要是因为固态电池维护成本低、可靠和安全。“我们的研究焦点并不在更大容量的电池上，如电动汽车用电池，而更多地是在小型和集成电子产品所用电池。” El Gabaly解释道，在任何锂电池中，要进行充放电，锂离子必须从一个电极运动到另一个电极。但是，在所有材料中锂离子的移动性并不相同，不同材料界面是一个主要阻碍。在固态电池中主要有两个重要界面：阴极和电解质界面，电解质和阳极界面，每一个都能成为电池的性能限制。另一研究人员Forrest Gittleson表示：“当我们发现这些瓶颈，我们问‘能否优化’，然后我们尝试改变界面，并使得化学反应在时间的流逝下更稳定。” 桑迪亚国家实验室的加州实验室并未开展对固态电池的研究，意味着该项目必须自行制造出电池原型，以及表征其界面。Gittleson说：“这类性能表征并不容易，因为我们感兴趣的界面只有几个原子层厚。我们使用X射线穿透了几纳米厚的材料，了解了这些界面的化学特性。尽管实验设计非常具有挑战性，我们已经成功探明了这些区域，并明确了其化学特性对整个电池性能的影响。” 研究人员使用了脉冲激光淀积和X射线光电子光谱学及电化学技术，实现了对超薄电池非常小规模淀积，以便下一步实现对硅晶圆的集成。Forrest Gittleson说：“使用这些技术，我们能够将界面减小至纳米级甚至亚纳米级。”以这种方式制造电池使得研究人员可以高度可控的方式对材料进行组装，进而能够精准了解界面的情况。 实验室使用的是已经过此前概念验证的固态电池中用过的材料。El Gabaly解释道：“由于这些材料并未以大规模商业级进行制造，我们需要在这里制造出完整的器件。我们寻求方法来改进电池，或者通过各种方式嵌入或改变界面，或者改变材料。” 研究的下一阶段是改建电池的性能，并比桑迪亚其他技术组合。El Gabaly说：“我们现在开始将我们的电池与LED、传感器、小型天线或其他集成器件相组合。即使我们对我们电池的性能感到满意，我们仍在不断尝试进行改进。” “Non-Faradaic Li+ Migration and Chemical Coordination across Solid-State Battery Interfaces.” Authors：Sandia postdoctoral scientist Forrest Gittleson and El Gabaly |
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