固态电池研发迎来突破，新型电极材料可极大提

编译/大路

最近，日本大阪府立大学的一个研究小组通过将硫酸锂和钌酸锂结合起来，开发出一种新型的全固态电池（ASSB）电极材料，能极大提高电池性能。该研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。

20世纪90年代，商用锂离子电池（LIB）的发明标志着电池技术革命的转折点。今天，从心脏起搏器到电动汽车，这些轻巧的、可重复充电的电池为我们使用的大多数电子设备提供了动力。然而，随着锂电池的日益普及，出现了两大问题。第一个是安全问题：如果不按照最高标准生产，LIBs就极有可能会发生故障。第二则是可持续问题，锂在地壳中的浓度很低，但我们对现代科技的“上瘾”正在加速地消耗这种金属的现有储量。

因此，科学家们正在研究各种各样的替代品，以使电池更安全，更可持续发展。日本大阪府立大学，应用化学系的Atsushi Sakuda副教授、Kenji Nagao博士及其同事就一直在研究全固态电池（ASSB）。

图示：传统电池与全固态电池对比（来源：theverge.com）

全固态电池与传统锂离子电池LIBs的主要区别在于，前者使用固体电解质，而不是液体电解质。LIBs中的液态电解质非常易燃，而且电导率较低。由于液体性质，也容易发生泄漏，因此更加危险。而换成更稳定的固体电解液则可以解决电池的安全和性能问题。固体电解质的不可燃性使得全固态电池非常安全。此外，全固态电池还可以“小型化”，因为它们不需要传统锂电池的分离器或冷却系统。

然而，制造全固态电池仍然存在一个障碍——实现电解液和电极活性材料之间的有效接触很困难，这就降低了能量密度和电池的性能。

Sakuda博士称：“寻找新颖、高效的电极材料是制造高能量密度ASSB的关键。”

图示：硫酸锂和钌酸锂的组合可使性能得到改善。（来源：greencarcongress.com）

为了解决上述问题，研究人员研究了电极的组成。一般来说，电极中的活性材料是让电池发挥作用的原因，即通过氧化还原（还原-氧化）反应失去或获得电子，材料则使电极和电解质之间的电荷转移。所以，氧化还原反应越多，电池中储存的电荷就越多，能量密度也就越高。

基于这些知识，研究人员将两种锂化合物：硫酸锂(Li2SO4)和钌酸锂(Li2RuO3)结合起来，开发了一种新型正极材料。由此产生的基质为离子提供了更多的流动空间，从而实现了更快的电荷转移。Li2SO4的加入也使整体结构更具延展性和非晶性，从而实现了“可逆的氧化还原反应”，并使基体得到进一步压缩，以加强电子和离子的导电性，从而提高电池的稳定性。

这些新电池的可逆容量为270 mAh/g，其性能超过了之前的大多数全固态电池。研究人员还计划更进一步，将电极中昂贵的钌(Ru)元素换成另一种性能类似的廉价金属。也就是说，他们相信他们的方法有望为下一代“商用电池”的制作提供坚实的基础。

此外，研究人员还希望能够证明全固态电池在电动汽车中的运行安全性。如果一切顺利，这种电池或许还可以解决电动汽车的续航问题。

附Nagao博士原文评论：

使用“无机固体电解质”的全固态锂电池在大规模应用上有两个问题：保证安全和提高能量密度。经实验证明，利用高容量的锂过氧化物电极材料，对于进一步提高能量密度是非常有效的。但是，它们从未应用于全固态电池。

在全固态电池中应用该材料的困难之处主要在于电极-电解质界面的构建。而通过Li2RuO3与Li2SO4的非晶化作为锂离子模型材料，我们首次证明了全固态电池中可逆的氧氧化还原反应。通过加入具有高导电性和延展性的活性材料，在Li2RuO3-Li2SO4基体的非晶化性质上，实现了具有电荷转移能力的有利界面，从而达成全固态电池的稳定运行。

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