马里兰大学能源研究中心和A.James Clark工程学院(马里兰大学帕克分校)的研究人员相信,他们已克服了生产安全且支付得起的石榴石固态电池的一个主要挑战。

石榴石基固态电解质由于其高离子电导率(接近1ms/cm)、环境稳定性和宽电化学稳定性窗口(从锂金属到~6V),已引起广泛关注,并因此成为“片上电池”应用的一种关键技术。然而,直到现在,因为石榴石电解质和电极材料之间的高阻抗限制了能量或电流的流动,从而大大降低了电池的充放电能力,所以在开发高性能石榴石基固态电池方面收效甚微。

马里兰大学团队通过在石榴石电解质和电极材料之间掺入一层超薄氧化铝,将阻抗减小了300倍,解决了高阻抗问题。这实质上消除了电池内电流动的屏障,允许所存储能量的有效充放电。

“这是固态电池领域的一个革命性进步——特别是最近的电池火灾,从波音787到电动滑板(hoverboard),再到三星智能手机。”马里兰大学材料科学和工程副教授Liangbing Hu(胡良兵)说,“我们的石榴石固态电池解决了困扰现有锂离子电池的典型问题:安全、性能和成本。在室温下,使用原子层沉积(ALD)添加超薄氧化物层将阻抗从1710Ωcm2减小到1Ωcm2,有效地销蚀了锂金属/石榴石的界面阻抗,从而允许该团队用锂金属阳极、石榴石电解质和高压阴极打造出一款可工作的电池。

锂离子电池通常包含可燃的液体有机电解质。UMD团队使用不可燃的石榴石基固体电解质消除了这种风险。“马里兰大学研究团队的工作有效地解决了锂金属固 体电解质界面的电阻问题,这一直是开发可靠耐用固态电池技术的主要障碍。”UCLA材料科学和工程学教授Bruce Dunn说。Dunn是能源储存材料领域的领先专家,并没有参与这项研究。

此外,这些石榴石电解质的高稳定性使该团队能够使用具有最大可能理论能量密度的金属锂阳极。结合高容量硫阴极,这种全固态电池技术提供了无与伦比的潜在能量密度。

“这种技术正在改变能量存储的前景。电池的广泛应用对增加如何和何时使用能量的灵活性至关重要,这些固态电池在提高电池安全性的同时还将减小其尺寸、降低重量和成本。”马里兰大学能源研究中心教授兼董事Eric Wachsman说。 20170123battery 图:具有锂金属阳极和LLZCN电解质的高压电池。a,使用ALD涂覆的LLCZN、锂金属阳极、LFMO/炭黑/PVDF复合阴极设计的完整电池示意图。注意:加入了在FEC/FEMC/HFE(20:60:20,以体积计)中混合进1M LiPF 6的少量合成液体有机电解质,以改善复合阴极和石榴石电解质之间的界面特性。b,用于点亮LED器件的工作电池。左图中的微黄色颗粒是经ALD处理的LLCZN固体电解质。LED通过塑料镊子连接到电池。c,LFMO/ALD-石榴石SSE/锂完整电池的恒流充放电曲线。d,电池的循环性能。

《电子技术设计》2017年2月刊版权所有,谢绝转载。 20160630000123