固態(tài)電解質(zhì)

本月在舊金山召開的2015年材料研究會議上，PATHION公司展示了兩種基于LiRAP的超離子導(dǎo)體固態(tài)電解質(zhì)，分別為鋰硫電池中的Li3ClO以及鈉離子電池中的LiGlass。

不同于液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)具有極低的膨脹率，省去析氣(out-gassing)過程，抑制了陽極和陰極之間的枝晶生長(可能會影響性能)，延長了電池壽命。LiRAP固體電解質(zhì)中的Li 離子在高電壓和高電流狀態(tài)下導(dǎo)電效果更佳，并能提升能量密度、電池電量以及使用安全。

目前PATHION正致力于鋰硫電池以及鈉離子電池的研發(fā)及改進(jìn)工作。鋰硫電池固態(tài)電解質(zhì)同樣基于LiRAP，不過目前高能量密度鋰硫電池尚未進(jìn)行商用化的一大障礙是，其電量損耗較快，穩(wěn)定性不足且循環(huán)效率較低，主要是由于其涉及復(fù)雜的反應(yīng)原理，包括鋰離子聚硫化物的可溶性不盡相同。

基于Li3ClO的玻璃電解質(zhì)則可以充當(dāng)阻止聚硫化物擴(kuò)散進(jìn)鋰離子的“屏障”，此外，PATHION經(jīng)過多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，使用高效的硫離子陰極可以帶來高達(dá)6.9毫克/平方厘米的硫密度。

固態(tài)電解質(zhì)原理圖

將上述玻璃電解質(zhì)和高效的硫離子陰極兩種因素結(jié)合，將大大改善充電效率，并延長電池壽命。目前市場上最好的商用鋰電池比能僅為250瓦時/千克，而鋰硫電池比能為前者的三倍多，高達(dá)800瓦時/千克。此外，新的鋰硫材料既可以用在電池上，也可以應(yīng)用于超級電容器。

PATHION展示的鈉離子電池中使用了一種稱作LiGlass的固體電解質(zhì)。在維持性能的基礎(chǔ)上，LiGlass在正常室溫下或200℃高溫下能夠帶來超快的離子電導(dǎo)率，能量密度超過1,000瓦時/千克。

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員最初研發(fā)LiRAP超離子固態(tài)電解質(zhì)，主要用于與金屬鋰陽極以及可再充電的陰極。這種新材料具有極大的Li 離子空位和晶格缺陷，從而在低能量壁壘下加快鋰離子轉(zhuǎn)化。