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挪威科技大学重新探讨聚合物/陶瓷混合电解质 为下一代电动汽车电池制造材料

盖世汽车讯 随着电动汽车迅速发展,人们迫切需要储能更高的新型电池,以实现长续航里程。目前的锂离子电池使用液态电解质,正在接近其理论能量密度极限。为了在不增加电池尺寸的情况下储存更多的能量,研究人员正在探讨固态电解质。与锂离子电池相比,固态电池更加安全,更稳定。据外媒报道,挪威科技大学(NTNU)的研究人员发现,在开发下一代电池时,有一种一度被视为富有前景的电解质材料,现需要对其重新进行研究和审视。

挪威科技大学重新探讨聚合物/陶瓷混合电解质 为下一代电动汽车电池制造材料

由氧化锂石榴石陶瓷填料制成的纳米线的扫描电子显微镜图像。(图片来源:挪威科技大学)

陶瓷与聚合物混合

一种名为聚(环氧乙烷)或PEO的聚合物,符合固态电解质的要求,因其灵活、轻便、易加工。然而,电解质需要具有良好的锂离子传导性,PEO无法满足这一要求。另一方面,陶瓷材料具有良好的离子传导性,但不具备聚合物的机械优势。

因此,研究人员向聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU材料科学与工程系副教授 Daniel Rettenwander表示:“这一想法是将陶瓷颗粒放入这些聚合物中,然后以某种方式实现两全其美。”事实上,以往确有很多报道称,在添加了填料后,聚合物电解质能更好地传导离子,甚至有观点认为这些填料可以形成快速通道网络,以便锂离子通过材料。

然而,在这项研究中,Rettenwander及其同事发现,这些填料实际上并不参与电解质中的锂离子传输。也许与以往观点有所不同,但这一发现可能帮助研究人员走上一条更有成效的道路,从而开发更好的电池。

了解材料行为方式

研究人员用不同数量的氧化锂石榴石陶瓷(LLZO)填料来制作薄膜,这些填充物以颗粒和线的形式存在,只有纳米宽度。然后,使用扫描电子显微镜观察薄膜的横截面,并与奥地利里奥本材料研究中心(MCL)的Roland Brunner合作,使用X射线计算机断层扫描技术从微观尺度拍摄材料内部快照。

将这些快照与材料性能的测量结果进行比较,可以得出关于填充颗粒如何影响聚合物中离子行为的结论。研究人员发现,这些颗粒和纳米线均匀地分布在聚合物中,并没有形成能够加快锂离子传输的网络。含有更多填料的薄膜,实际上离子导电性较差,这支持了填料不参与离子传输的结论。Rettenwander表示:“仅仅在薄膜内添加填料并不能带来任何改善。虽然有的陶瓷确实提高了性能,但不代表这就是其固有特性。”

那么,为什么一些实验发现添加填料能够提升电导率,而实际上它们并没有在离子传输中起作用呢?研究人员认为,这可能是聚合物本身发生的变化给材料带来了优势,即从有序的晶体结构变成了更加无定形、不规则的形式。

电池的能量密度能翻倍吗

当然,这并不意味着在聚合物中添加填料,是固态电池研究的死胡同。Rettenwander表示:“使用填料仍然是一个很好的策略,只是仅在里面放填充物是不够的。为了使这些薄膜发挥作用,必须改善聚合物和陶瓷之间的界面。”例如,Rettenwander正在研究一种方法,通过改变材料表面促进形成更好的键合。

对于电动汽车中使用的固态电池而言,如果能找到一种方法将这两种材料的优点结合起来,可以显著减少充电次数。Rettenwander表示:“如果能够制造固态电池,就可以将能量密度增加近一倍,使续航里程增加近两倍。”

《全球汽车前瞻技术情报双周刊》

来源:盖世汽车

作者:Elisha

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