隨著智能手機、筆記本電腦、汽車和電網(wǎng)的發(fā)展，對電池儲能的需求不斷增長。固態(tài)電池的安全性更高、使用壽命更長，被視為最有前途的下一代技術(shù)之一。據(jù)外媒報道，作為美國能源部阿貢國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的能源創(chuàng)新中心，能源存儲研究聯(lián)合中心（JCESR）在固態(tài)電池方面取得重大進展。固態(tài)電池面臨的一個主要挑戰(zhàn)在于，如何提升固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的擴散率。因為比起傳統(tǒng)鋰離子電池中用的液體有機電解質(zhì)，它的擴散率通常較慢。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的主要教授Linda Nazar是JCESR團隊的合作成員之一。Nazar教授及其博士后研究助理Zhizhen Zhang展示了，如何通過明輪明輪效應(yīng)（paddlewheel effect），即原子的協(xié)調(diào)運動，促進鋰離子在固態(tài)電池中的流動。據(jù)Nazar介紹，固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)，而不是通常的液體有機電解質(zhì)，有望成為鋰離子電池的替代品。Nazar說：“它們具有成為更安全、更持久電池的潛力，可以提供更高的能量密度，這對各種電化學(xué)儲能應(yīng)用很重要，比如汽車、機器人、無人機等等。作為固態(tài)電池中最重要的組成部分，在很大程度上，固態(tài)電解質(zhì)決定了電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性?！?/P>
對于當(dāng)前的鋰離子電池來說，熱失控可能導(dǎo)致電池發(fā)生火災(zāi)和爆炸。考慮到這些危險因素，JCESR嘗試用固體電解質(zhì)取代電池內(nèi)部的液體有機電解質(zhì)。少數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，與液態(tài)有機電解質(zhì)一樣高，因此備受關(guān)注。同時，JCESR正在探索一種可以顯著加速離子擴散的現(xiàn)象：在固態(tài)電解質(zhì)框架中，正常靜止的陰離子會發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，幫助驅(qū)動鋰陽離子。Nazar說：“事實上，組成固體框架的陰離子‘構(gòu)建塊’并不是不動的，而是在經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)運動。我們的研究表明，在固體框架內(nèi)，陰離子動態(tài)原理能促進鋰離子移動。即使在室溫下，通過調(diào)整框架也可以“啟動”陰離子動態(tài)反應(yīng)，并使其通過明輪效應(yīng)與陽離子擴散強烈耦合。這有點類似于有多人通過的旋轉(zhuǎn)門?！?/P>
雖然新型固體電解質(zhì)的研究仍處于發(fā)展階段，但相關(guān)進展令人鼓舞。JCESR主管George Crabtree表示，這項突破顯著提高鋰離子電池的安全性和部署，或?qū)⒏淖冇螒蛞?guī)則。Crabtree稱：“如果能找到一種固態(tài)電解質(zhì)，保證鋰離子快速移動，它將替代液態(tài)有機電解質(zhì)，并使電池立即擺脫熱失控反應(yīng)，這是目前鋰離子電池起火的主要原因。單就安全優(yōu)勢而言，在手機、筆記本電腦、錄像機、汽車和電網(wǎng)等領(lǐng)域，這種電解質(zhì)將會擁有廣闊的市場。”
整個JCESR團隊都對固態(tài)電池充滿期待。密歇根大學(xué)和麻省理工學(xué)院的其他合作伙伴，也在探討固體電解質(zhì)及“明輪效應(yīng)”。Crabtree說，固態(tài)電池是工業(yè)上最有前途和最受歡迎的進步之一。Crabtree稱：“JCESR希望從原子和分子水平上了解電池行為的起源。有了這些知識，我們可以逐個原子、逐個分子地從頭開始構(gòu)建電池，讓每個原子和分子都在構(gòu)建目標(biāo)電池過程中發(fā)揮指定的作用。明輪效應(yīng)就是其中一個例子。此項研究處于固態(tài)電解質(zhì)研究的前沿，我們想把這方面的知識應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。”
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