研究人员通过控制固体材料的原子排列提高固体电池的稳定性

研究人员通过控制固体材料的原子排列提高固体电池的稳定性

固态电池因其高能量密度和安全性而备受关注，但电极与电解质之间的接触问题一直制约着其性能。近日，伊利诺伊大学香槟分校的研究团队在《自然材料》杂志上发表了一项重要研究，揭示了如何通过控制固体材料的原子排列来改善固态电池的稳定性。

固态电池能够在很小的空间内储存大量能量，但它们的电极并不擅长与电解质保持有效接触。液体电解质虽然能够到达电极的每一个角落和缝隙以激发能量，但液体本身却不能储存能量，而且会随着时间的推移而失效。

伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程教授保罗·布劳恩（Paul Braun）、博士后研究助理贝尼亚明·扎赫里（Beniamin Zahiri）和Xerion先进电池公司研发总监约翰·库克（John Cook）领导了这项新研究。他们展示了如何通过控制固体材料的原子排列来改善阴极-固体电解质界面，从而推动固态电池技术的发展。

Zahiri表示：“对于电池来说，重要的不仅仅是材料本身，还有这些材料表面原子的排列方式。目前，固态电池电极包含的材料表面原子排列的多样性很大，这导致了看似无限数量的电极-固体电解质接触界面的可能性，所有这些界面的化学反应活性水平都不同。我们感兴趣的是找出哪种排列方式能实际改善电池的循环寿命、能量密度和功率。”

研究人员表示，电解质的稳定性控制着电池在开始断电前的充放电循环次数。正因为如此，科学家们竞相寻找最稳定的电解质材料。

Zahiri补充道：“在急于寻找稳定的固体电解质材料的过程中，开发人员似乎忽视了电解质和电极之间非常薄的界面发生的事情的重要性。如果电解质和电极之间的连接不能以一种有效的方式进行评估，那么电解质的稳定性就无关紧要。”

在实验室中，研究团队构建了具有特定原子排列的钠离子和锂离子电极。他们发现锂基和钠基固态电池的电池性能和界面原子排列之间存在相关性。他们还发现，最小化界面表面积和控制电极原子排列是理解界面不稳定性本质和提高电池性能的关键。

库克表示：“这是一个新的范例，如何评估所有重要的固体电解质目前可用。在此之前，我们很大程度上只是猜测什么电极-固体电解质界面结构能提供最好的性能。但现在我们可以对此进行测试，并找到材料和原子取向的最佳组合。”

正如合著者机械科学与工程教授Elif Ertekin和她的团队所证明的那样，拥有这种水平的控制给研究人员提供了运行原子模拟所需的信息。他们假设这将导致未来更好的电解质材料。

布劳恩总结道：“我们认为这将教会我们很多关于如何研究新兴的固体电子学。我们不是要发明新的固体电解质，物质世界已经在这方面做得很好了。我们的方法将允许其他人精确测量他们的新材料的界面属性，这是一些很难确定的东西。”

这项研究为固态电池的未来发展提供了新的思路和方向，有望加速这一前沿技术的商业化进程。

本文原文来自xianjichina.com