新型锂离子超导体使安全电池时代的到来成为可能

基于液态电解液的锂离子电池主要用于电动汽车和储能装置的电池。然而,随着近来电池安全问题的多次被提出,人们对使用易燃液体电解液的现有电池的各种担忧也随之增加。为了解决这一安全问题,最近,将所有电池部件全部更换为固体材料的全固态电池技术引起了人们的高度关注。KIST的Kim博士的研究团队,利用一种名为 “硫银锗矿“的硫化物晶体结构,开发出了具有超离子导电性的固体电解液。

一种快速的锂离子导电固体电解质材料,可与典型电池中使用的液体电解质相媲美。这是一种创新的锂离子超导体合成方法,在不影响生产效率和材料性能的前提下,开发出了一种创新的锂离子超导体。

韩国科学技术研究院能源材料研究中心的Hyoungchul Kim博士的研究团队已经成功地开发出一种基于硫化物的超级导电体,可用于全固态电池中的高性能固体电解质。这种新材料在室温下可实现10.2 mS/cm的锂离子电导率,与典型的锂离子电池所用液体电解液的电导率相当。研究团队还报道了一种新的合成技术,可以将现有合成技术的加工时间缩短三分之一以上。预计该技术将大大加速超离子固体电解质材料的量产,为全固态电池的商业化做出贡献。

  • 超离子导体:是指在常温下具有高离子传输特性的材料,对应的离子电导率为10~100 mS/cm。近年来,这些材料作为电解质被用于电池、燃料电池、传感器等各种电化学器件中,受到了广泛关注。

目前,以液态电解质为基础的锂离子电池主要用于电动汽车和储能装置的电池。然而,随着近来电池安全问题的多次被提出,人们对使用易燃的液态电解质的现有电池的各种担忧也随之增加。为了解决这一安全问题,最近,用固体材料代替所有电池部件的全固态电池技术引起了人们的高度关注。然而,与液态电解液不同的是,固态电解液中的锂离子可以自由运动,但由于锂离子的运动被限制在刚性的固态晶格内,因此,固态电解液的锂离子电导率较低,仅为液态电解液的1/10~1/100。这是目前全固态电池技术发展中最重要、最困难的挑战之一,其技术和经济价值非常大。

KIST金博士的研究团队利用一种硫银锗矿的硫化物晶体结构,开发出了具有超离子导电性的固体电解液。同时,该晶体结构因其锂离子浓度高、结构稳定,该晶体结构具有很高的应用前景,但由于锂离子被限制在八面体的结构特殊性,其锂离子电导率仍低于4 mS/cm。该研究团队过在特定的原子位置选择性地取代卤素元素氯的技术,新开发了一种穿过八面体笼的新型锂离子通道。由KIST研究人员开发的新型固体电解质材料,其锂离子的电导率为10.2 mS/cm,与室温下的传统液体电解质相当,在各种电池工作条件下仍能保持电化学稳定性。

硫银锗矿是一种铝镁合金。是1886年Clemens Winkler在Ag8GeS6矿物中发现的一种晶体结构。近年来,用碱金属如Li等碱金属取代阳离子位点并应用于电化学器件的研究较多。

此外,KIST研究团队报告的新合成方法,由于可以最大限度地提高超离子固体电解质材料的质量生产能力,因此引起了更多的关注。传统的固态反应工艺需要数天以上的处理时间,而本研究提出了一种简单的合成方法,将纳米晶核化工艺和红外快速热处理技术相结合,将工艺时间缩短到10小时以内。

*固态反应工艺。是指一种干基材料过程中,随着元素颗粒的扩散形成一种或多种固体反应产物的干基材料过程。它一般需要高温热处理,才能使反应以适当的速度发生。
据金博士介绍,”在全固态电池技术领域,以日本为首的国外研究人员在研究中处于领先地位。在这项研究中,开发一种高质量生产力的高性能固体电解质材料具有重要意义。” 他进一步表示:”通过快速工艺合成超离子硫化物材料,很有可能实现商业化,未来可作为固体电解质广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。”

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