固態(tài)電池在很小的空間內(nèi)儲存了大量的能量，但它們的電極并不擅長與電解質(zhì)保持聯(lián)系。液體電解質(zhì)到達(dá)電極的每一個角落和縫隙以激發(fā)能量，但液體占用空間卻不能儲存能量，而且隨著時間的推移會失效。研究人員現(xiàn)在正在將固體電解質(zhì)與由戰(zhàn)略安排的材料制成的電極在原子水平上進(jìn)行接觸，其結(jié)果有助于推動更好的固態(tài)電池技術(shù)。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign)材料科學(xué)與工程教授保羅·布勞恩(PaulBraun)、博士后研究助理貝尼亞明·扎赫里(BeniaminZahiri)和Xerion先進(jìn)電池公司(XerionAdvancedBatteryCorp.)研發(fā)總監(jiān)約翰·庫克(JohnCook)領(lǐng)導(dǎo)了一項新研究。演示如何控制固體材料的原子排列可以改善陰極-固體電解質(zhì)界面和固體電池的穩(wěn)定性。研究結(jié)果發(fā)表在《自然材料》雜志上。

Zahiri說：“對于電池來說，重要的不僅僅是材料，還有這些材料表面原子的排列方式，目前，固態(tài)電池電極包含的材料表面原子排列的多樣性很大。這導(dǎo)致了看似無限數(shù)量的電極-固體電解質(zhì)接觸界面的可能性，所有的化學(xué)反應(yīng)活性水平不同，我們感興趣的是找出哪種安排能實際改善電池循環(huán)壽命、能量密度和功率。”

研究人員表示，電解質(zhì)的穩(wěn)定性控制著電池在開始斷電前的充放電循環(huán)次數(shù)。正因為如此，科學(xué)家們競相尋找最穩(wěn)定的電解質(zhì)材料。

Zahiri說:“在急于尋找穩(wěn)定的固體電解質(zhì)材料的過程中，開發(fā)人員似乎忽視了電解質(zhì)和電極之間非常薄的界面發(fā)生的事情的重要性，但是如果電解質(zhì)和電極之間的連接不能以一種有效的方式進(jìn)行評估，那么電解質(zhì)的穩(wěn)定性就無關(guān)緊要。”

在實驗室中，該團(tuán)隊構(gòu)建了具有特定原子排列的鈉離子和鋰離子電極。他們發(fā)現(xiàn)鋰基和鈉基固態(tài)電池的電池性能和界面原子排列之間存在相關(guān)性。他們還發(fā)現(xiàn)，最小化界面表面積和控制電極原子排列是理解界面不穩(wěn)定性本質(zhì)和提高電池性能的關(guān)鍵。

庫克說：“這是一個新的范例，如何評估所有重要的固體電解質(zhì)目前可用，在此之前，我們很大程度上只是猜測什么電極-固體電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)能提供最好的性能，但現(xiàn)在我們可以對此進(jìn)行測試，并找到材料和原子取向的最佳組合。”

正如合著者機(jī)械科學(xué)與工程教授ElifErtekin和她的團(tuán)隊所證明的那樣，擁有這種水平的控制給研究人員提供了運行原子模擬所需的信息，他們假設(shè)這將導(dǎo)致未來更好的電解質(zhì)材料，研究人員說。

布勞恩說：“我們認(rèn)為這將教會我們很多關(guān)于如何研究新興的固體電子學(xué)，我們不是要發(fā)明新的固體電解質(zhì)，物質(zhì)世界已經(jīng)在這方面做得很好了，我們的方法將允許其他人精確測量他們的新材料的界面屬性，這是一些很難確定的東西。”