研究发现新型电极材料 可提高固态电池性能

盖世汽车讯 据外媒报道，最近，日本某研究小组通过结合硫酸锂和钌酸锂开发出一种新型电极材料，可提高全固态电池（ASSB）性能。锂离子电池想要实现大规模应用，需要具备高安全性和高能量密度，采用无机固体电解质的全固态锂电池也不例外。利用高容量锂过量电极材料可进一步提高能量密度。但是，该方法从未应用于全固态电池。

全固态电池采用高容量锂过量电极材料的难点在于其电极-电解质界面构造。研究人员通过使用Li2SO4将锂过量模型材料Li2RuO3非晶化，首次证明全固态电池中存在可逆氧氧化还原反应。Li2RuO3-Li2SO4基体的非晶态性质使得其能够包含具有高导电性和延展性的活性材料，从而可提供具有电荷转移能力的良好界面，实现全固态电池稳定运行。

（图片来源：Science Advances）

上个世界九十年代，商用锂离子电池（LIB）的发明标志着技术革命的转折。从起搏器到电动汽车，如今轻量级可充电电池被广泛用于电子设备。然而，锂离子电池的日益普及也引发两个主要问题，安全性问题：电池未按最高标准制造可能会发生故障；储量不足问题：锂元素在地壳中的含量较小，而现代技术对锂元素的需求量较大。

因此，科学家们正在寻找各种替代方案，使电池更安全、更可持续。日本大阪府立大学的Atsushi Sakuda副教授、Kenji Nagao博士及其应用化学系的同事一直致力于研究全固态电池（ASSB）。

ASSB与常规LIB之间的主要区别在于，前者使用固体而非液体电解质。LIB中的液体电解质高度易燃，电导率较低，还容易泄漏，因此比较危险。而固体电解质稳定且具有不可燃特性，使得ASSB具备高安全性和高性能。由于ASSB无需隔膜或冷却系统，也可以被“微型化”。但是，由于电解质和电极活性材料难以实现有效接触，导致电池能量密度和电池性能降低。

Sakuda博士表示：“因此，寻找新型高效的电极材料是制造高能量密度ASSB的关键。”为解决上述问题，研究人员对电极成分进行了研究。电池中起决定作用的主要是电极中的活性物质：通过氧化还原反应失去或获得电子，从而实现电极与电解质之间的电荷转移。反应次数越多，电池中存储的电荷越多，其能量密度也就越高。

因此，研究人员通过组合两种锂化合物：硫酸锂（Li2SO4）和钌酸锂（Li2RuO3）开发出正极材料。该材料可为离子流动提供更多空间，从而实现电荷快速转移。添加Li2SO4还可以使整体结构更具延展性和非晶质，实现可逆氧化还原反应的同时还能进一步压缩该材料，因此大大提高电子和离子电导率，增强电池稳定性。

新型电池的可逆容量为270 mAh / g，性能优于大多数ASSB。研究人员希望通过将电极中的昂贵钌（Ru）元素换为一种性能相似但廉价的金属，进一步推动新型固态电池的发展，并相信，其研究方法为制造下一代电池提供了坚实的基础。通过证明ASSB可以在电动汽车中安全使用，研究人员希望ASSB能成为下一代电池的主要候选产品。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0312/502.html