馬里蘭大學能源研究中心(University of Maryland Energy Research Center)和馬里蘭大學派克分校A. James Clark工程學院的研究人員相信,他們已克服生產基於石榴石(garnet)的安全且經濟上可負擔的固態(solid-state)電池的一個主要挑戰。

石榴石基固態電解質(Garnet-type solid-state electrolytes)由於其高離子電導率(接近1mS/cm)、環境穩定性和寬電化學穩定性視窗(從鋰金屬到~6V),已引起廣泛關注,並因此成為「片上電池(battery on a chip)」應用的一種關鍵技術。然而,直到現在,因為石榴石電解質和電極材料之間的高阻抗限制能量或電流的流動,從而大大降低了電池的充放電能力,所以在開發高性能石榴石基固態電池方面收效甚微。

馬里蘭大學團隊透過在石榴石電解質和電極材料之間摻入一層超薄氧化鋁,將阻抗減少300倍、解決高阻抗問題。這實質上消除電池內電流動的屏障,允許所存儲能量的有效充放電。

「這是固態電池領域的一個革命性進步,特別是最近的因電池引起的火災——從波音787到電動滑板(hoverboard),再到三星(Samsung)智慧型手機。」馬里蘭大學材料科學和工程副教授Liangbing Hu說,「我們的石榴石固態電池解決困擾現有鋰離子電池的典型問題:安全、性能和成本。」

在室溫下,使用原子層沉積(ALD)添加超薄氧化物層將阻抗從1710Ωcm2減少到1Ωcm2,有效地銷蝕鋰金屬/石榴石的介面阻抗,從而允許該團隊用鋰金屬陽極、石榴石電解質和高壓陰極打造出一款可工作的電池。

鋰離子電池通常包含可燃的液體有機電解質。UMD團隊使用不可燃的石榴石基固體電解質消除了這種風險。

「馬里蘭大學研究團隊的工作有效地解決鋰金屬固體電解質介面的電阻問題,這一直是開發可靠耐用固態電池技術的主要障礙。」UCLA材料科學和工程學教授Bruce Dunn表示。Dunn是能源儲存材料領域的領先專家,並沒有參與這項研究。

此外,這些石榴石電解質的高穩定性使該團隊能夠使用具有最大可能理論能量密度的金屬鋰陽極。結合高容量硫陰極,這種全固態電池技術提供了無與倫比的潛在能量密度。

「這種技術正在改變能量存儲的前景。電池的廣泛應用對增加如何和何時使用能量的靈活性至關重要,這些固態電池在提高電池安全性的同時,還將減少尺寸、降低重量和成本。」馬里蘭大學能源研究中心教授兼董事Eric Wachsman說。

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圖1 具有鋰金屬陽極和LLZCN電解質的高壓電池。



圖1顯示:(a)使用ALD塗覆的LLCZN、鋰金屬陽極、LFMO /炭黑/ PVDF複合陰極設計的完整電池示意圖。請注意,加入在FEC/FEMC/HFE(20:60:20,以體積計)中混合進1M LiPF 6的少量合成液體有機電解質,以改善複合陰極和石榴石電解質之間的介面特性。(b)用於點亮LED元件的工作電池。圖1(b)左圖中的微黃色顆粒是經ALD處理的LLCZN固體電解質。LED透過塑膠鑷子連接到電池。(c)LFMO/ALD-石榴SSE/鋰完整電池的恆流充放電曲線。(d)電池的迴圈效能。