新加坡科技研究局通过半固态电解质提升锂硫电池安全性

2020-03-10 13:16

最近，新加坡科技研究局的纳米实验室（NBL）的研究人员为锂硫电池设计了一种半固态电解质，能在不影响电池性能的前提下提高电池的安全性。锂硫电池在各种电子和能量存储应用中作为高效的电源将进一步接近现实。

安全问题一直以来都是阻碍锂电池的工业使用的障碍，因为锂电的高度易燃液体有机电解质容易泄漏，而且还依赖于热和机械不稳定的电极分离器。虽然固态电解质已经显示出改善锂电池安全性能的潜力，但它们的电极／电解质经常接触不良而且离子电导率有限，导致了固态锂电的性能低下。

NBL研究小组的负责人Jackie Y． Ying教授说：“由液体和固体组成的混合准固体电解质已经成为一种实用的折衷方案，既能获得更安全的电池，又能保持良好的性能。然而，固体元件的高电阻迄今为止限制了这种电池的性能。为了克服这个问题，我们重新设计了固体成分的微观结构。我们的解决方案消除了电解液的泄漏，并且在温度和机械性能上都很稳定。”

NBL的研究团队设计了一种混合的准固态电解质，它包括由Li7La3Zr2O12 （LLZO）薄片制成的液体注入多孔膜。该团队还开发了一种制造LLZO薄片的新方法，用于构建电解质的框架。他们将这种制作3d片架构的方法称为“纸杯蛋糕法”。

LLZO因其高离子电导率、良好的化学和电化学稳定性而被选中。电解质的非刚性结构使其与电极保持良好的接触，并防止其在操作和电池组装过程中开裂。这使得电池更安全，性能更好。NBL的半固态电解质在宽电压范围内也很稳定，可以用于不同的锂电池电极材料，包括高压阴极。

采用NBL新型电解液制成的锂硫电池具有容量大、充放电速度快等优点，稳定了电池的性能。在试验中，新型电解质在1．5 mg／cm2的负载密度下，获得了显著的速率能力（分别在1℃和2C℃下～515和～340 mAh／g）。这是锂硫混合准固体电池所能达到的最高性能之一。

Ying教授说：“我们发现的3－D片架构对电池的最佳性能起了至关重要的作用。此外，我们的系统在极端温度下表现出出色的稳定性。这些结果说明了我们的片基结构作为其他半固态锂电池框架的巨大潜力。”

目前，NBL团队正在开发新型锂离子、锂硫和锂固态电池，以实现商业化。