韓國研究人員研發(fā)出突破性設(shè)計策略 推動固體電池發(fā)展

作為新一代電池，全固態(tài)電池具有比現(xiàn)有鋰離子電池更高的穩(wěn)定性和容量。這類電池采用不可燃固體正極和電解質(zhì)，在高溫或外部沖擊環(huán)境下可大幅降低爆炸或起火風(fēng)險，有助于提高能量密度（是鋰離子電池的兩倍），或?qū)⒏淖冸妱悠嚭蛢δ茉O(shè)備市場的發(fā)展趨勢。然而，固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性低、界面電阻高，且易于降解，這會影響電池的性能和壽命，并使其商業(yè)化應(yīng)用受限。

裸露晶面的立方結(jié)構(gòu)（圖片來源：techxplore）

據(jù)外媒報道，韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）與成均館大學(xué)的研究人員合作研究出突破性材料設(shè)計策略，可以克服固體電解質(zhì)和正極之間界面電阻高的問題。

兩種不同物質(zhì)的重合界面上會出現(xiàn)獨特的物理現(xiàn)象。在物質(zhì)本體內(nèi)，鄰近的原子形成穩(wěn)定的鍵。與之不同的是，由于一側(cè)沒有相同物質(zhì)的相鄰原子，界面上的原子很可能形成不同的原子排列。全固態(tài)電池具有固體電極-固體電解質(zhì)界面，在電池中會出現(xiàn)擾亂原子排列并限制電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，從而新增電阻并加速降解。為了解決這一問題，目前正在研究在正極和電解質(zhì)表面涂覆適當(dāng)材料或插入中間層。然而，這將進一步新增成本，并降低電池的整體活性和能量密度。

為了解決這些問題，KIST和成均館聯(lián)合研究團隊首先系統(tǒng)性確定直接影響固體界面的材料晶體結(jié)構(gòu)。利用外延薄膜技術(shù)（一種半導(dǎo)體制造技術(shù)），沿基層晶體形成方向生成薄膜，在不同條件下，獲得具有不同裸露晶面的正極薄膜。在不考慮顆粒大小和接觸面積等因素的情況下，詳細分析裸露晶面對固體電解質(zhì)與正極材料之間界面的影響。

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結(jié)果顯示，裸露晶面的緊密包覆結(jié)構(gòu)，可以阻止正極材料中的過渡金屬泄漏至電解液中，從而提高全固態(tài)電池的穩(wěn)定性。此外，當(dāng)晶體界面與電子運動方向平行時，離子和電子可以不受阻礙地沿晶體運動，從而減小電阻，提高容量輸出。

KIST的研究人員Sang-baekPark博士表示：“通過新增晶面密度及調(diào)整晶體之間的界面方向，可以改善正極材料，確保高性能和穩(wěn)定性。本項研究探討全固態(tài)電池的降解機理。我們計劃在此基礎(chǔ)上，解決固體電解質(zhì)和固體正極界面的不穩(wěn)定性問題，改進離子-電荷交換特性，加速開發(fā)全固態(tài)電池材料。”