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日本:锡硅替代锗 固态电解质降低锂电池成本
2017-07-20 09:01:46   来源:盖世汽车    点击:

  据外媒报道,东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的研究人员研发了一项新技术方案——无锗固态电解质,可降低固态锂电池的成本,并致力于将该项技术应用到电动车、通信及其他行业中。

  无锗固态电解质

  该研究团队在在美国化学会(ACS)期刊——《材料化学(Chemistry of Materials)》上发表了论文,其技术方案为:采用锡与硅替代固态电解质内的锗(germanium)元素,因为上述两项材料的化学稳定性更强。相较于液态电解质,新材料提升了锂离子的导电率。在谈论其研究成果时,Ryoji Kanno与他的同事表示:“这款固态电解质不含锗,未来或许所有固态电池都会采用该电解质。”

  配有固态电解质(SEs)的全固态电池系统有望角逐新一代电池。据估计,该类电池所能提供的电量大、能源密度高、性能稳定、安全性能也有所提高。硫化物基锂离子导体(Sulfide-based lithium-ion conductors)的导电性高、电化学窗口(也有译作:“电位范围”,electrochemical windows)及机械性能也不错。为此,目前许多机构都在大力研发固态电解质。

  Li10GeP2S12(LGPS)是结晶硫电解质产品系列的新成员,其导电性为1.2 × 10#2 S cm#1,可媲美有机液态电解质(organic liquid electrolytes)。全固态电池LiCoO2/LGPS/In#Li采用LGPS电解质,其充放电性能相当出色。然而,锗元素价格相对较贵,或将限制LGPS材料的广泛应用。

  在设计锂离子导体时,晶体结构类型也是一项重要因素。若不同材料的结构类型相近,且固体的导电性高,那么新材料的导电性能就会更好。LGPS类结构的锂离子扩散率高。未来,硅基及锡基的无锗材料均可能被用作为固态电解质并得到实际应用。

  锡硅替代锗 固态电解质降低锂电池成本

  新材料的原子排布被命名为LSSPS。新款无锗材料采用的结果为Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。

  全固态电池的优势

  相较于采用锂离子导电液体的常见锂离子电池,未来的全固态电池拥有以下优势:安全性及可靠性得到提升,储能量较高、使用寿命更长。

  超离子导体(superionic conductors)——固态晶体(solid crystals)的研究发现提升了锂离子的移动速率,进而促进这类电池的研发进展,但这款前景较好的设计却一度依赖于对稀有金属锗的应用,由于其价格过于昂贵,无法实现大规模应用。

  Kanno表示,由于化学稳定性高且易于装配,这款新材料提升了对固态电解质进行精细调整的可能性,进而满足各类工业需求及消费需求。

  2011年,Kanno及其团队成员与丰田汽车、日本的高能加速研究机构(KEK)开展合作,在发表的论文中引入了结构为Li10GeP2S12 (LGPS)的固态电解质。该材料在纯固态电池研发竞争中占据了先手,该团队还基于LGPS结构研发其他的固态电解质并取得了成效。

  优化LGPS框架结构提升性能

  在最近发布的一篇论文中,研究人员保留了相同的LGPS框架结构,对锡、硅及其他成分的原子的速率及位置分布进行了精密调整。其研究成果LSSPS材料(成分:Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4))在室温下的锂离子导电性为1.1 x 10-2 S cm-1,几乎接近最初的LGPS结构的性能。

  尽管还需要进行进一步的调整,研究人员可根据其不同的用途来优化材料性能,为降低生产成本带来了新希望,且不必牺牲材料的性能。

  循环伏安图及充放电曲线。该材料的稳定性高,充放电能力强,在20次充放电周期内,其容量保持率(capacity retention)高。

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