最近，新加坡科技研究局的納米實(shí)驗(yàn)室（NBL）的研究人員為鋰硫電池設(shè)計(jì)了一種半固態(tài)電解質(zhì)，能在不影響電池性能的前提下提高電池的安全性。鋰硫電池在各種電子和能量存儲(chǔ)應(yīng)用中作為高效的電源將進(jìn)一步接近現(xiàn)實(shí)。

安全問(wèn)題一直以來(lái)都是阻礙鋰電池的工業(yè)使用的障礙，因?yàn)殇囯姷母叨纫兹家后w有機(jī)電解質(zhì)容易泄漏，而且還依賴于熱和機(jī)械不穩(wěn)定的電極分離器。雖然固態(tài)電解質(zhì)已經(jīng)顯示出改善鋰電池安全性能的潛力，但它們的電極／電解質(zhì)經(jīng)常接觸不良而且離子電導(dǎo)率有限，導(dǎo)致了固態(tài)鋰電的性能低下。

NBL研究小組的負(fù)責(zé)人Jackie Y． Ying教授說(shuō)：“由液體和固體組成的混合準(zhǔn)固體電解質(zhì)已經(jīng)成為一種實(shí)用的折衷方案，既能獲得更安全的電池，又能保持良好的性能。然而，固體元件的高電阻迄今為止限制了這種電池的性能。為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們重新設(shè)計(jì)了固體成分的微觀結(jié)構(gòu)。我們的解決方案消除了電解液的泄漏，并且在溫度和機(jī)械性能上都很穩(wěn)定。”

NBL的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種混合的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，它包括由Li7La3Zr2O12 （LLZO）薄片制成的液體注入多孔膜。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種制造LLZO薄片的新方法，用于構(gòu)建電解質(zhì)的框架。他們將這種制作3d片架構(gòu)的方法稱(chēng)為“紙杯蛋糕法”。

LLZO因其高離子電導(dǎo)率、良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性而被選中。電解質(zhì)的非剛性結(jié)構(gòu)使其與電極保持良好的接觸，并防止其在操作和電池組裝過(guò)程中開(kāi)裂。這使得電池更安全，性能更好。NBL的半固態(tài)電解質(zhì)在寬電壓范圍內(nèi)也很穩(wěn)定，可以用于不同的鋰電池電極材料，包括高壓陰極。

采用NBL新型電解液制成的鋰硫電池具有容量大、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定了電池的性能。在試驗(yàn)中，新型電解質(zhì)在1．5 mg／cm2的負(fù)載密度下，獲得了顯著的速率能力（分別在1℃和2C℃下～515和～340 mAh／g）。這是鋰硫混合準(zhǔn)固體電池所能達(dá)到的最高性能之一。

Ying教授說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)的3－D片架構(gòu)對(duì)電池的最佳性能起了至關(guān)重要的作用。此外，我們的系統(tǒng)在極端溫度下表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。這些結(jié)果說(shuō)明了我們的片基結(jié)構(gòu)作為其他半固態(tài)鋰電池框架的巨大潛力。”

目前，NBL團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新型鋰離子、鋰硫和鋰固態(tài)電池，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

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