制約鋰電池工業(yè)應(yīng)用的主要阻礙在于安全性。因?yàn)殡姵刂械囊后w有機(jī)電解質(zhì)高度易燃，并且容易泄漏；另外，電池需要依賴熱性能和機(jī)械性能都不穩(wěn)定的電極分離器。雖然固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出改善鋰電池安全性能的潛力，但是，這種電解質(zhì)與電極接觸不良，離子電導(dǎo)率低，使電池的電導(dǎo)率和性能表現(xiàn)不佳。

 

 

(圖源：A*STAR官網(wǎng))

 

NBL研究小組負(fù)責(zé)人Jackie Y. Ying教授表示：“由液體和固體組成的混合準(zhǔn)固體電解質(zhì)，稱得上是一種實(shí)用的折衷方案，既能使電池保持安全性，又能實(shí)現(xiàn)良好的性能。然而，固體元件的高電阻，對(duì)電池性能的影響很大。為了克服這一問題，我們重新構(gòu)建固體組件的微觀結(jié)構(gòu)。我們的新方案既能解決電解液的泄漏問題，也具有穩(wěn)定的熱性能和機(jī)械性能。”

 

NBL研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種混合準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，將Li7La3Zr2O12 （LLZO）薄片制成可以吸收液體電解質(zhì)的多孔膜。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了制備LLZO薄片的新方法，用于構(gòu)建電解質(zhì)框架，并將這種制作3D框架的一步法，命名為“紙杯蛋糕法”。

 

研究人員青睞LLZO材料，是因其離子電導(dǎo)率高，而且具有優(yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。受益于非剛性結(jié)構(gòu)，這種電解質(zhì)可與電極保持良好接觸，并且在操作和電池組裝過程中，不易開裂，有利于提高電池的安全性和性能。另外，NBL半固態(tài)電解質(zhì)能在較大電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，與不同的鋰電池電極材料兼容，包括高壓正極。

 

采用NBL新型電解質(zhì)制成的鋰硫電池，表現(xiàn)出高容量、快速充放電能力，而且可以抑制多硫化物穿梭，電池性能穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中，新型電解質(zhì)在1.5 mg/cm2的負(fù)載密度下，可實(shí)現(xiàn)高倍率性能（1和2C分別為~515 mAh/g和~340 mAh/g）。對(duì)于鋰硫混合準(zhǔn)固體電池來說，這是目前所能達(dá)到的最佳性能之一。

 

Ying教授說：“我們發(fā)現(xiàn)，此類3D片層架構(gòu)對(duì)于提升電池性能至關(guān)重要。此外，在極端溫度下，我們的系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，我們的片基結(jié)構(gòu)擁有巨大的潛力，可以作為其他半固態(tài)鋰電池的框架。”

 

NBL團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的新型鋰離子、鋰硫和鋰固態(tài)電池。