鋰金屬電池柔性電解質片獲突破

戴沖

東京城市大學的研究人員近期開發出一種新方法來制造用于鋰金屬電池的陶瓷基柔性電解質片。他們將石榴石型陶瓷、聚合物黏合劑和離子液體結合在一起，生產出準固態片狀電解質。合成是在室溫下進行的，與現有的高溫（> 1000℃）工藝相比，所需能量大大減少。它可在很寬的溫度范圍內發揮作用，使其成為用于電動汽車電池的理想電解質。

柔性復合片機械強度和可操作性俱佳

現代的化石燃料占了世界上大多數能源需求，包括我們使用的電力，但是化石燃料的應用中，燃燒會導致二氧化碳和其他污染物（例如有毒的氮氧化物）直接排放到大氣中，因此，需要先進的儲能系統更有效地使用可再生的間歇性能源。

自1991年索尼將鋰離子電池商業化以來，鋰離子電池已對現代社會產生了深遠的影響，為無繩吸塵器等各種便攜式電子產品和電器提供了動力。這帶來了人們對鋰金屬電池的研究興趣的復興：鋰金屬陽極的理論容量比目前商業使用的石墨陽極高得多。

眾所周知，鋰金屬陽極仍然存在技術障礙。例如在液態電池中，可能會有電池短路的情況發生，蘋果和三星手機都發生過起火和爆炸的實例。固態無機電解質明顯更安全，并且石榴石型（結構類型）陶瓷Li7 La3 Zr2 O12（LLZO），因其高離子電導率和與Li金屬的相容性而被廣泛認為是一種有前途的固態電解質材料。

但是生產高密度LLZO電解質需要非常高的燒結溫度，高達1200℃，這既浪費能源又耗時，使得難以大規模生產LLZO電解質。此外，脆性LLZO電解質與電極材料之間的不良物理接觸通常會導致較高的界面電阻，從而極大地限制了它們在全固態鋰金屬電池中的應用。

柔性復合LLZO片狀電解質成為鋰金屬電池新希望的電解質材質，工藝是將LLZO陶瓷漿液澆鑄到薄的聚合物基材上，就像在烤面包上涂黃油一樣。在真空烘箱中干燥后，將75微米厚的片狀電解質浸泡在離子液體（IL）中，以提高其離子電導率。IL是在室溫下為液態的鹽，已知具有很高的導電性，同時幾乎不易燃且不揮發。

在薄板內部，IL成功地填充了結構中的微觀間隙，并彌合了LLZO顆粒，形成了鋰離子的有效途徑，它們還有效降低了陰極的界面電阻。經過進一步調查，研究小組發現鋰離子通過結構的IL和LLZO粒子擴散，合成簡單，適合工業生產：整個過程在室溫下進行，無須高溫燒結。研究小組表示，柔性復合板這種新的合成方法意味著我們將很快看到高容量鋰金屬電池的普及。