（圖源：gatech官網）

近年來，隨著鋰離子電池的普及，全球的鈷和鎳供應壓力不斷上升（目前電池設計中必需的兩種金屬），并且價格飆升。據外媒報道，為了開發新的替代性鋰基電池，減少對稀有金屬的依賴性，佐治亞理工學院（GeorgiaInstituteofTechnology）的研究人員研制出新型正極和電解質系統，采用低成本過渡金屬氟化物和固體聚合物電解質，取代貴金屬和傳統液體電解質。

佐治亞理工學院材料科學和工程學院教授GlebYushin表示：“長期以來，用過渡金屬氟化物制造電極，一直存在穩定性差和快速失效的問題。關于能否把它應用于一下代電池設計，人們一直持有很大的質疑。但是，我們已經證明，當與一種固體聚合物電解質一起投入使用時，這種金屬氟化物表現出卓越的穩定性，即使在高溫狀態下也是如此。因此，完全可以用它來設計更安全、更輕量級和成本更低的鋰離子電池。”

在典型的鋰離子電池中，鋰離子通過在正負極兩個電極間流動釋放能量。其中，正極通常是由鋰和過渡金屬構成，比如鈷、鎳和錳。電極之間的離子流動通過液體電解質實現。在本次研究中，研究團隊采用氟化鐵活性物質和固體聚合物電解質納米復合材料，制造新型正極。氟化鐵所供應的鋰容量是傳統鈷基或鎳基正極的2倍多。而且，鐵的價格要比鈷便宜300倍，比鎳低150倍。

為了生產這種正極，研究人員專門開發出一種制造工藝，可使固體聚合物電解質滲透到預制氟化鐵電極中。接著，對整個結構進行熱壓，以新增密度并減少空隙。這種基于聚合物的電解質具有兩大核心特色，那就是它在循環過程中具有彎曲性，能夠適應氟化鐵溶脹；而且，可以與氟化鐵形成非常穩定且有彈性的界面。在以往電池設計中，使用氟化鐵會出現溶脹和大量的副反應，這一直是關鍵性問題。

Yushin表示：“利用氟化鐵制造的正極具有高密度、低成本等優點，而且鐵的儲量豐富，所以這種正極擁有廣闊的發展前景。但是，以前采用這種電極，在循環過程中，會出現數量變化和液體電解質寄生副反應，以及其他性能衰退問題，限制其使用。采用彈性固體電解質，可以有效解決這些問題。”

研究人員接著測試幾種新型固態電池變體，在122度華氏溫度下，進行300次充放電循環，分析其性能表現。值得一提的是，即使冷卻至室溫，它們的表現也超過以往的金屬氟化物。

研究人員指出，提升電池性能的關鍵在于固態聚合物電解質。以前嘗試使用金屬氟化物時，會認為金屬離子移動至正極表面，最終溶解至液體電解質，造成容量損耗，特別是在高溫下。另外，當電池在華氏100度以上運行時，金屬氟化物能促使液體電解質大量分解。然而，假如將固態電解質和正極結合起來，就不會出現溶解，固態電解質可以保持非常穩定的狀態，防止電池失效。

Yushin所在實驗室的研究科學家KostiantynTurcheniuk表示：“我們使用的聚合物電解質非常普遍。但是，還有很多固態電解質，以及電池或電極結構，比如核殼粒子形態，同樣能夠明顯減弱甚至完全防止寄生副反應發生，實現穩定的性能特點。”

末來的時間，研究人員將致力于開發新的固態電解質，提高其性能，以實現快速充電。并將在新的設計中，將固體和液體電解質結合起來，使其與大型電池廠采用的傳統電池制造工藝完全兼容。