稳定固态锂离子电池界面的新方法

在不增加重量或体积的情况下将更多能量装入电池的无尽探索中，一项特别有前途的技术是固态电池。在这些电池中，通常在电极之间来回携带电荷的液体电解质被固体电解质层所取代。这种电池不仅可以提供两倍于其尺寸的能量，还可以从根本上消除与当今锂离子电池相关的火灾危险。

但有一件事阻碍了固态电池：固态电解质层和两侧的两个电极之间的边界不稳定性会大大缩短此类电池的寿命。一些研究使用特殊涂层来改善层之间的结合，但这增加了制造过程中额外涂层步骤的费用。现在，麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的一组研究人员提出了一种方法，可以达到等于或超过涂层表面耐久性的结果，但不需要任何涂层。

新方法只需要在关键制造步骤(称为烧结)中消除任何二氧化碳，在该步骤中，电池材料被加热以在由陶瓷化合物制成的阴极和电解质层之间形成粘合。尽管空气中二氧化碳的含量微乎其微，以百万分之几来衡量，但它的影响却是巨大的和有害的。研究人员说，在纯氧中进行烧结步骤可以产生与最佳涂层表面性能相匹配的键合，而无需额外的涂层成本。

麻省理工学院博士生 Younggyu Kim、核科学与工程教授、材料科学与工程教授 Bilge Yildiz 以及布鲁克海文国家实验室的 Iradikanari Waluyo 和 Adrian Hunt发表了《先进能源材料》杂志上的研究结果。

“长期以来，出于不同的原因，固态电池一直很受欢迎，”Yildiz 说。她说：“固体电池的关键动力在于它们更安全且具有更高的能量密度”，但由于两个因素阻碍了它们的大规模商业化：固体电解质的较低导电率和界面不稳定性问题。

Yildiz 表示，导电性问题已得到有效解决，并且已经证明了合理的高导电性材料。但克服界面上出现的不稳定性更具挑战性。这些不稳定性可能在此类电池的制造和电化学操作过程中发生，但目前研究人员专注于制造，特别是烧结过程。

需要烧结是因为如果陶瓷层简单地相互压在一起，它们之间的接触就很不理想，间隙太多，电阻也很大。跨界面高。陶瓷材料的烧结通常在 1,000 摄氏度或更高的温度下进行，这会导致每种材料中的原子迁移到另一种材料中以形成键。该团队的实验表明，在任何高于几百度的温度下，都会发生有害反应，从而增加界面处的电阻——但前提是存在二氧化碳，即使是微量的二氧化碳。他们证明，避免二氧化碳，特别是在烧结过程中保持纯氧气氛，可以在高达 700 度的温度下产生非常好的粘合，而不会形成任何有害化合物。

Yildiz 说，使用这种方法制成的阴极-电解质界面的性能“与我们在文献中看到的最佳界面电阻相当”，但这些都是通过额外的涂层步骤实现的。“我们发现你可以避免额外的制造步骤，这通常是昂贵的。”

固态电池提供的能量密度的潜在收益来自于它们能够使用纯锂金属作为电极之一，这比目前使用的由注入锂的石墨制成的电极轻得多。

该团队现在正在研究这种电池的下一部分性能，即这些键在电池循环期间如何长期保持。同时，新发现可能会迅速应用于电池生产，她说。“我们提出的是一个相对简单的电池制造过程。它不会给制造增加太多能量损失。因此，我们相信它可以相对容易地用于制造过程，”以及增加的成本，他们计算过，应该可以忽略不计。

丰田等大公司已经在努力将早期版本的固态锂离子电池商业化，这些新发现可以迅速帮助这些公司提高该技术的经济性和耐用性。