新型锂离子超导体使安全、高性能的全固态电池成为可能

时间:2020-04-19 20:10 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

新型锂离子超导体使安全、高性能的全固态电池成为可能

一种快速的锂离子传导固体电解质材料,可与典型电池中的液体电解质相媲美。一种创新的锂离子超导体合成方法,在生产效率和材料性能之间没有任何妥协。

来自韩国科学技术研究院能源材料研究中心的Hyoungchul kim博士的研究团队(韩国科学技术研究院代院长Yoon Seok-jin)已经成功开发了一种基于硫化物的超离子导体,可以用于全固态电池中的高性能固体电解质。

超离子导体:一种具有高离子输运性的材料,相当于在室温下离子传导率为10 ~ 100ms /cm。这些材料在电池、燃料电池、传感器等各种电化学装置中作为电解质,近年来受到广泛关注。

这种新材料在室温下的锂离子电导率为10.2 mS/cm,可与典型的锂离子电池使用的液体电解质相媲美。研究小组还报告了一种新的合成技术,可以将现有合成技术的处理时间缩短三分之一以上。我们期望这项技术将大大加速超离子固态电解质材料的量产,并有助于全固态电池的商业化。

目前,基于液体电解质的锂离子电池主要用于电动车电池和储能设备。然而,随着电池安全问题最近被多次提出,对使用易燃液体电解质的现有电池的各种担忧有所增加。

新型锂离子超导体使安全、高性能的全固态电池成为可能

为了解决这一安全问题,全固态电池技术,其中所有的电池组件都被固体材料取代,最近引起了极大的关注。然而,与锂离子可以自由移动的液体电解质不同,固体电解质的锂离子电导率只有液体电解质的1/10到1/100,这是因为锂离子的运动被限制在一个刚性的固体晶格中。这是全固态电池技术发展中最重要、最困难的挑战之一,具有巨大的技术和经济价值。

金博士在KIST的研究小组利用一种名为“阿gyrodite”的硫化物晶体结构开发了一种具有超强导电性的固体电解质。

同时,由于其高锂离子浓度和结构稳定性,该晶体结构具有很高的应用前景,但由于其结构的唯一性,其锂离子电导率仍然低于4ms /cm。该研究小组最近开发了一种新的锂离子通道,通过应用一种技术,在特定的原子位置选择性地取代氯,一种卤素元素,从而穿过八面体笼。

长角闪石:1886年由克莱门斯·温克勒在Ag8GeS6矿物中发现的一种晶体结构。近年来,人们对锂等碱金属取代阳离子并应用于电化学器件进行了大量的研究。

KIST研究人员开发的新型固体电解质材料,其锂离子电导率为10.2 mS/cm,与室温下的传统液体电解质相当,在各种电池工作条件下仍能保持电化学稳定性。

此外,由KIST课题组报道的新合成方法由于有可能最大限度地提高超离子固体电解质材料的质量生产率而受到了更多的关注。而传统的固态反应过程需要几天以上的处理时间,本研究提出了一种简单的合成方法,将纳米晶成核过程与红外快速热处理技术相结合,将工艺时间缩短到10小时以内。

固体反应过程:一种以干燥为基础的物质过程,其中一个或多个固体反应产物是通过基本粒子的扩散形成的。它通常需要高温热处理,以使反应以适当的速度发生。

据金博士说,在全固态电池技术领域,包括日本在内的外国研究人员正在领导这项研究。本研究对开发高性能、高质量生产性能的固体电解质材料具有重要意义。他进一步评论说,通过快速合成超离子硫化物材料很有可能实现商业化,在未来可以广泛应用于电动汽车和储能系统作为固体电解质。

参考文献:利用原位纳米晶体成核和快速晶体生长的超离子富卤化锂长辉石;作者:Wo Dum Jung, Ji-Su Kim, Sungjun Choi, Seongmin Kim, Minjae Jeon, Hun-Gi Jung, Kyung Yoon Chung, Jong-Ho Lee, Byung-Kook Kim, Jong-Heun Lee和Hyoungchul Kim, 2020年3月9日,Nano Letters。

DOI: 10.1021 / acs.nanolett.9b04597

该研究由民军技术合作研究所双用技术项目资助,该项目获得了工、工、能源部(宋云模部长)和国防采办计划管理局(王正红部长)的财政支持。这项工作还得到了韩国科学技术研究所的机构研究项目和韩国科学与信息技术部(Choi, Ki-young部长)资助的国家研究基金会解决气候变化问题的技术发展项目的支持。这项研究的结果已经发表在纳米科学和纳米技术领域的著名国际期刊《纳米快报》(IF: 12.279, JCR的前5.743%)的网络版上。

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