科學家們發現可以提高鋰離子電池性能的固體電解質材料

2020-12-05 騰訊網

史丹福大學材料科學與工程系副教授埃文·裡德（Evan Reed）和訪問學者奧斯汀·森德克（Austin Sendek）的發現可以幫助電池研究人員設計出安全，便宜和高效的首批固體電解質。圖片來源：洛杉磯西塞羅/史丹福大學

史丹福大學的科學家們已經確定了一種新型的固體材料，可以代替鋰離子電池中的易燃液體電解質。

科學家們稱，由鋰，硼和硫製成的低成本材料可以提高電動汽車，筆記本電腦和其他電池供電設備的安全性和性能。他們的發現發表在ACS Applied Materials＆Interfaces雜誌上的一項研究中。

史丹福大學材料科學與工程系的訪問學者奧斯汀·森德克（Austin Sendek）說：「典型的鋰離子電池有兩個固體電極，中間有兩個高度易燃的液體電解質。」 「我們的目標是設計穩定，低成本的固體電解質，從而增加電池的功率和能量輸出。」

有前途的材料

電池電解質在充電和放電過程中會在正極和負極之間穿梭鋰離子。大多數鋰離子電池使用液體電解質，如果電池刺穿或短路，該電解質會燃燒。另一方面，固體電解質很少著火，並且可能更有效。

材料科學與工程學副教授埃文·裡德（Evan Reed）說：「固體電解質有望成為液體電解質的一種更安全，更持久，更節能的替代品。」 「然而，發現用於固體電解質的合適材料仍然是一項重大的工程挑戰。」

這組作者說，當今使用的大多數固體電解質過於不穩定，效率低下且價格昂貴，無法在商業上可行。

Sendek說：「常規的固體電解質不能傳導比液體電解質那麼多的離子電流。」 一旦與電池電極接觸，通常能降解的極少數。」

機器學習

為了找到可靠的固體電解質，Sendek和他的同事在2016年訓練了一種計算機算法，可以篩選材料資料庫中的12,000多種含鋰化合物。在幾分鐘之內，該算法即可識別出大約20種有前途的材料，包括四種由鋰，硼和硫製成的鮮為人知的化合物。

森德克說：「在尋找候選人的時候，我們注意到有四種鋰硼硫化合物不斷冒出。」 「不幸的是，現有的科學文獻中關於這些材料的知識並不多。」

在當前的研究中，研究人員使用一種稱為密度泛函理論的技術仔細研究了這四種化合物，該技術模擬了材料在原子級的行為。

非常有希望的結果

當前的研究表明，鋰-硼-硫電解質的穩定性大約是主要固體電解質的兩倍。穩定性會影響電池可存儲的每單位重量的能量。在電動汽車中，這可能意味著更長的行駛裡程。

「特斯拉和其他電動汽車一次充電可以行駛250至300英裡。」 森德克說。「但是，如果使用固體電解質，則有可能使鋰離子電池的能量密度增加一倍，並使該範圍超過500英裡，甚至可能開始考慮電動飛行。」

當典型的固體電解質發生故障時，它會從良導體化學轉化為壞導體，從而導致電池停止工作。研究預測，當混合在一起時，四種鋰-硼-硫化合物即使分解也會繼續起作用。

「所有四種化合物在化學上都是相似的，」森德克說。「因此，當混合物分解時，每種化合物都可能會從一種良好的導體轉變為另一種良好的導體。這意味著材料在分解成不良導體之前可以經受數次分解，最終導致電池死亡。」

研究還預測，鋰硼硫材料的某些相在傳導鋰離子方面可能比用昂貴的鍺製造的最新固態電解質好三倍。

Sendek說：「如果獲得良好的離子電導率，則可以使更多的電流從電池中流出。」 「更大的電流意味著更大的動力來加速您的汽車。」

當今一些最好的固體電解質是用稀有元素製成的，例如鍺，一公斤的價格約為500美元。鋰，硼和硫是豐富的化學物質，價格為每公斤26美元。

Sendek說：「我們的計算機算法正在根據新材料的物理性質來尋找它們。」 「但是恰巧這四種化合物也比其他化合物便宜得多。」

鋰金屬

尋找可行的固體電解質還可以導致鋰金屬電池的發展，這種金屬密度高，重量輕的電池是電動汽車的理想選擇。

大多數鋰離子電池都有一個由石墨製成的帶負電的電極。在鋰金屬電池中，石墨被金屬鋰代替，金屬鋰每千克可以存儲更多的電荷。

Sendek說：「鋰金屬確實是電池研究的聖杯。」 「但是鋰金屬電極在運行過程中有內部短路的趨勢，液體電解質無濟於事。固體電解質似乎是我們克服這一問題的最佳機會，鋰硼硫磺電解質是有希望的候選者。」

研究路線圖

史丹福大學的研究為將來的研究提供了理論路線圖。下一步是合成所有四種鋰-硼-硫材料，並在電池中對其進行測試。

「從我的實驗者朋友告訴我的情況來看，在實驗室製造這些材料可能非常困難，」森德克說。「我們作為理論家的工作是將實驗者指向有前途的材料，並讓他們了解材料在實際設備中的性能。」

Reed補充說，能夠通過人工智慧和機器學習從數千名候選人中識別出這些有前途的材料。

他說：「迄今為止，大多數新材料的發現都是通過低效率的反覆試驗搜索完成的。」 「我們的結果代表了材料化學機器學習方法的令人鼓舞的成功。」

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