圖5 各種金屬硼氫化物的力學性質(剪切模量、體模量、Pugh比例)
此前Monroe等人[5]曾今提出「二倍剪切模量理論」用以預測電解質是否能抑制枝晶生長:當電解質剪切模量大於2倍金屬鋰的剪切模量,該界面可以認為穩定。對於Li、Na硼氫化物,剪切模量都比較小,因此,不像之前所廣泛認為的,這種固態電解質很可能不能抑制枝晶生長。因此需要長時間大電流充放電測試。
圖6 量子化學計算得到的陰離子轉動能壘與相變溫度關係;各種金屬硼氫化物的陽離子缺陷形成能
金屬硼氫化物往往具有兩個相,低溫下,金屬硼氫化物陰離子不轉動,陽離子擴散很慢,達到臨界溫度,陽離子擴散速度發生突增。因此降低臨界溫度到室溫下可以有效提高離子電導率,作者發現降低臨界溫度與陰離子轉動能壘有高度相關性(圖6),並提出摻雜不用半徑的陰離子可以降低該溫度,該方法在最近Yan Yigang等人[6]的實驗研究中得到驗證。
圖7 第一性動力學模擬Na、Mg、Ca硼氫化物的陽離子擴散
動力學模擬表明Mg與Ca硼氫化物擴散較慢,不適合在室溫全固態電池中當作電解質使用。(圖7)
【小結】
金屬硼氫化物是理想的固態電解質之一。得益於界面穩定化機制,他們具有較好的抗電化學氧化性。然而,金屬電極的枝晶生長需要長時間循環的實驗研究。