据外媒报道，美国能源部（U.S. Department of Energy，DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和芝加哥大学（University of Chicago）的研究人员发现能提升全固态电池核心动力单元能量密度和循环寿命的方法。这项新一代电池技术有望彻底改变交通运输行业。

该方法使电池的总寿命增加了数百次充放电循环，同时显著提高了能量密度——这是全固态电池实现商业化应用的两大关键步骤。相关研究成果发表于期刊《Science》。

图片来源：美国阿贡国家实验室

固态电池有何不同

顾名思义，全固态电池由固态组件构成。与传统的锂离子电池不同，它们不含液体或凝胶材料。但与所有电池一样，它们也包含阴极（正极）和阳极（负极），两者之间由电解质（离子流动的介质）隔开。

全固态电池相比传统电池具有诸多优势，包括更高的安全性、更轻的重量、更长的使用寿命和更高的能量密度——能量密度是指电池相对于其质量所能储存和提供的能量。

然而，由于固态电解质和正极材料之间的接触不良，全固态电池的研发一直面临挑战。这种接触不良——被称为界面——会阻碍离子流动，从而降低电池性能。

芝加哥大学教授、阿贡国家实验室杰出研究员Khalil Amine表示：“解决固态电池的界面问题是实现这一前景广阔的系统的关键”。

通过混合引发卤化物偏析

Amine和阿贡国家实验室的化学家Guiliang Xu领导的团队致力于提升全固态锂硫电池及类似化学体系电池的性能。他们发现，通过快速混合固体电解质、正极和其他电池材料，可以引发一种被称为“卤化物偏析（halide segregation）”的过程。

在卤化物偏析过程中，与氯、溴或类似元素结合的锂原子会迁移到界面处。

研究人员发现，卤化物偏析处理的电池性能显著提升，循环寿命也更长。此外，与采用其他性能提升策略（例如添加催化剂、掺杂剂或表面涂层）处理的全固态电池相比，卤化物偏析处理的电池性能也更胜一筹。

Xu表示：“这项研究代表了此类电池系统的重大进步，尤其是在利用储量丰富的硫显著提高能量密度、循环寿命和降低成本方面。”

性能突破和商业潜力

在某些情况下，卤化物偏析电池的能量密度甚至超过了此类电池的理论极限。此外，即使经过100次充放电循环，电池仍能保持其全部性能。450次循环后，性能仍保持在80%以上。

Xu表示：“这是全固态锂硫电池性能的显著提升。”

研究人员在室温下观察到了这种性能的提升，无需额外加热，这使得该方法更容易应用于商业领域。

研究团队表示，他们在电池实验中实现了卤化物偏析，是因为他们采用了高速混合方法——每分钟2000转，持续5小时——在电池组件内部产生了热量和剪切力。这引发了“机械化学反应”，从而触发卤化物偏析，并改善电池使用过程中锂离子的运动。

Xu表示：“这是一个非常简单的过程，但其中蕴含着重要的科学原理。”

该方法可推广至其他化学体系

科学家们发现，该方法还能提升其他类型全固态电池的性能。研究团队最初专注于全固态锂硫电池，因为其正极材料含有储量相对丰富的硫。但他们也测试了使用硒和碲制成正极的电池，硒和碲是较为稀有的元素，其反应性质与硫类似。结果发现，高速混合后，这些电池也出现了类似的卤化物偏析现象，并且性能得到了提升。

这表明，高速混合有望解决其他全固态电池的界面问题，从而推动多种电池化学体系走向商业化应用。