生產(chǎn)安全、高能量且價(jià)格低廉的固態(tài)鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)正在加速，最近有消息稱，在固態(tài)鋰電池中使用一種叫做石榴石的固態(tài)非易燃陶瓷電解質(zhì)進(jìn)行的研究將具有革命性突破。

“這是能源儲(chǔ)存領(lǐng)域的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變，”機(jī)械工程系助理教授KelseyHatzell說(shuō)。一篇在3月份發(fā)表于theAmericanChemicalSociety'sEnergyLetters雜志的名為"TheEffectofPoreConnectivityonLiDendritePropagationWithinLLZOElectrolytesObservedwithSynchrotronX-rayTomography"的論文里，KelseyHatzell詳細(xì)描述了她對(duì)石榴石電解質(zhì)失效點(diǎn)的新研究，她的這篇文章也是本月ACS雜志上最熱門的文章之一。

鋰離子電池通常含有一種易燃的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)。通過(guò)使用不易燃的石榴石基電解質(zhì)可以有效消除火災(zāi)隱患。使用固體有機(jī)石榴石代替液體電解質(zhì)，不但能增加電池的使用壽命，同時(shí)可以大大的降低電池成本。

Hatzell說(shuō)：“固態(tài)電池將是所有電動(dòng)汽車和其他能源儲(chǔ)存和安全最為重要的應(yīng)用形式。”

Hatzell的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了Li7La3Zr2O12或者被稱為鋰鑭氧化鋯（LLZO）的一種石榴石類型的材料，由于其較高的鋰離子導(dǎo)電性和與鋰金屬的兼容性，它在全固態(tài)電池的應(yīng)用上顯示出巨大的前景。

Hatzell說(shuō)道:“了解這些電解質(zhì)系統(tǒng)的失效機(jī)制對(duì)于設(shè)計(jì)彈性固體電解質(zhì)系統(tǒng)至關(guān)重要。LLZO的主要限制是其具有在低電流密度下易發(fā)生短路的傾向。”

Hatzell的研究使用了同步加速器X射線斷層掃描技術(shù)進(jìn)行跟蹤實(shí)際充放電后LLZO的結(jié)構(gòu)變化。研究人員運(yùn)用該技術(shù)可以查看電池內(nèi)部以及亞微米級(jí)分辨率的3D結(jié)構(gòu)特征。

在固體電解質(zhì)中成像鋰，大多數(shù)情況下是利用掃描電子顯微鏡或者光學(xué)顯微鏡技術(shù)進(jìn)行破壞或原位成像的。“使用同步加速器工具將能夠提供更現(xiàn)實(shí)的條件，幫助我們能夠觀看埋藏的界面中的材料形貌，”Hatzell如此說(shuō)道。論文的合著者是博士后學(xué)者申鳳玉（音）、研究生肖翔輝（音）和MarmDixit。

世界上只有為數(shù)不多的幾個(gè)同步加速器和中子源。Marm是入選2017年國(guó)家中子與x射線散射學(xué)院的60名研究生之一。Hatzell說(shuō):“作為這個(gè)項(xiàng)目的一部分，Marm在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分別呆了一個(gè)星期。”

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源和ORNL的散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)器用于對(duì)先進(jìn)材料的相互作用進(jìn)行納米級(jí)研究。Dixit能夠從技術(shù)領(lǐng)先的科學(xué)家和專家那里學(xué)習(xí)同步加速器表征技術(shù)。Hatzell的團(tuán)隊(duì)在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了所有的測(cè)試。

“結(jié)果表明，空隙或連通孔的存在導(dǎo)致更高的短路率，這一結(jié)果可能為下一代固態(tài)電池系統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)提供信息。”Hatzell說(shuō)。

“盡管仍需要大量研究才能夠?qū)⒐虘B(tài)電池推向市場(chǎng)，但它們?cè)?a href="http://m.newssweekly.com/keywords/gaomidu/" style="color:#a98326">高能量密度電池和電動(dòng)汽車應(yīng)用中的應(yīng)用前景已經(jīng)引起了全球的極大興趣。”