固態電池技術新進展：未來電池將更小更安全！

導讀

近日，美國康奈爾大學的一項新研究推進了固態電池的設計。研究人員從液態電解質入手，然後將其轉化為電化學池內部的固態聚合物。他們綜合利用了液態與固態特性的優勢，突破了目前電池設計中的關鍵限制。

背景

電池，幾乎在我們身邊無處不在，從智能手機到電動汽車再到無人機，目前大多數產品都是依靠電池來提供能量的。對於電池，我們一般會有以下這些希望：能為產品及時地提供能量；可快速充電；一次充電可以維持儘可能長時間的使用；不會突然失效或者起火。

近年來，媒體報道了多起有關鋰離子電池燃燒與爆炸的安全事故，例如三星手機爆炸、特斯拉電動汽車自燃、鋰電池工廠起火等。這些安全事故引發了人們對於鋰電池安全性的憂慮和關注。

網友展示的三星note 7手機充電時發生爆炸的圖片（圖片來源於網路）

那麼，是什麼原因導致鋰離子電池燃燒的呢？目前，業界普遍認為鋰電池的燃燒與高度易燃的電解液相關。這種易燃性電解液本身包含著固有的安全隱患，這是阻礙鋰離子電池進一步發展和應用的主要瓶頸。

隨著如今人們對於電動汽車的興趣不斷增長，研究人員和業內人士都在尋求改善充電電池技術，使之能為普通汽車、無人駕駛車輛、機器人和其他新一代設備安全可靠地提供能量。

固態電池，就是這樣一種新興技術。它具有成本低、安全性高、壽命長、能量密度高、充電速度快等優勢。在固態電池中，所有的電極以及電解質都是由固態物質製成。固態電極，即使被加熱到很高溫度，或者暴露在空氣中，也不會著火。

（圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin）

創新

近日，美國康奈爾大學的一項新研究推進了固態電池的設計。研究人員從液態電解質入手，然後將其轉化為電化學池內部的固態聚合物。他們綜合利用了液態與固態特性的優勢，突破了目前電池設計中的關鍵限制。相關論文於3月11日發表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上。

（圖片來源：Qing Zhao）

技術

這項研究的博士後研究員、論文領導作者 Qing Zhao 表示：」讓我們想像一個盛滿冰塊的玻璃杯，一些冰會與玻璃接觸，不過中間會有空隙。可是如果你將玻璃杯盛滿水並冷凍它，那麼玻璃杯與冰塊之間的界面將被完全覆蓋，你在玻璃杯的固態表面與其內含的液態之間建立起了一個強大的連接。同樣的概念應用到電池中，可以提升離子從電池電極固態表面向電解質轉移的遷移率，且這樣的操作無需可燃性液體。「

這項研究的關鍵在於，引入了能在電化學池中引起聚合作用又不會損害電池其他功能的特殊分子。如果電解質是一種環醚，引發劑經過設計後可用於拆開環，形成綁定在一起的活性單體鏈，從而創造出長鏈一般的分子，這些分子本質上與醚具有相同的化學特性。這種固態的聚合物與金屬界面保持著緊密的結合，就像玻璃杯中的冰一樣。

價值

除了可以提高電池的安全性，固態電解質還可以帶來新一代電池。這些電池利用金屬包括鋰和鋁作為陽極，實現比目前最先進的電池技術高得多的能量存儲。在這個背景下，固態電解質能防止金屬形成枝晶。枝晶現象會引起電池短路，導致過熱和失效。

雖然認識到了固態電池的優勢，但是業界在嘗試大規模製造固態電池的時候遇到了挫折。製造成本高以及之前設計的界面特性差，都成為了顯著的技術障礙。固態系統也通過提供對於熱變化更高的穩定性，從而避免了冷卻電池的需要。

論文高級作者、史密斯化學與生物分子工程學院的教授 Lynden Archer 表示：「我們的研究為創造具有一系列應用的實用固態電池開闢了一條全新的途徑。」

據 Archer 稱，創造固態聚合物電解質的這種新型原位策略，讓我們感到特別振奮，因為它有望帶來具有延長的循環壽命和再充電能力的高能量密度可充電金屬電池。

Archer 表示：「我們的方案能使目前的鋰離子電池變得更安全，也為未來的電池技術提供了機遇。」

關鍵字

電池、固態電池、鋰電池、聚合物

參考資料

【1】http://news.cornell.edu/stories/2019/03/advances-point-way-smaller-safer-batteries

【2】Qing Zhao, Xiaotun Liu, Sanjuna Stalin, Kasim Khan, Lynden A. Archer. Solid-state polymer electrolytes with in-built fast interfacial transport for secondary lithium batteries. Nature Energy, 2019; DOI: 10.1038/s41560-019-0349-7

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