鑒于鋰離子電池在現代世界中發揮的重要作用，研究人員不斷嘗試開發更安全、更節能的電池技術。

在最近發表的一篇論文中，由美國能源部 （DOE） 阿貢國家實驗室的科學家領導的一個團隊揭示了他們對固體電解質的關鍵見解，他們正在測試用于全固態電池。

與傳統鋰離子電池中使用的液體電解質不同，全固態電池使用固體電解質而不是液體電解質，既不揮發也不易燃。它們正在成為未來開發輕質、能量密度高、更持久且更安全的鋰離子電池的關鍵技術。

這種設計可以從根本上延長電動汽車的行駛里程，同時顯著減輕電池的重量和尺寸。

鋰空氣電池內部新電池使用基于含鋰納米顆粒的固體復合電解質。電解質嵌入由陶瓷-聚乙烯 （CPE） 氧化物聚合物制成的基質中。

原理圖顯示了由鋰金屬陽極、空氣基陰極和固體陶瓷聚合物電解質 （CPE） 組成的鋰空氣電池單元。放電和充電后，鋰離子 （Li+） 從陽極進入陰極

這種固態鋰空氣電池是第一個在室溫下實現四電子化學反應的電池。在四電子化學反應中，四個電子在兩種化學物質之間轉移。這種類型的反應雖然在電化學等各個領域都很常見，但在室溫下運行的鋰空氣電池中是一項前所未有的壯舉。大多數鋰反應涉及一個或兩個電子。

涉及更多電子的反應會產生更大的能量儲存。四電子反應產生氧化鋰 （Li?O） 而不是傳統的超氧化物鋰 （LiO2） 或過氧化鋰 （Li2O2），這兩者都限制了能量輸出。

這種化學成分中的一個關鍵元素是一種稱為磷酸三鉬 （Mo?P） 的強效催化劑。該催化劑有助于關鍵的四電子轉移，同時確保反應在長期使用中保持穩定。

研究人員表示，隨著這一發展，他們的鋰空氣設計可以達到創紀錄的 1,200 Wh/kg 能量密度。該密度比當今鋰離子電池的密度高 4 倍。

什么是 LLZO？

研究表明，由鋰鑭鋯石榴石（LLZO，或擁有化學學位的聽眾 Li7La3Zr2O12）制成的固體電解質是這種電池的最佳候選者。這種材料因其強度和耐用性而脫穎而出。它還因其導電性或充電和放電過程中在電極之間輕松移動鋰離子而著稱。

為了使固體電解質 LLZO 變得更好，研究人員一直在嘗試添加少量元素，如鋁或鎵，以提高 LLZO 傳導鋰離子的能力。這個過程被稱為興奮劑。摻雜是指添加少量的另一種元素來改變和改善材料的性能。

摻雜鋁和鎵有助于 LLZO 保持最對稱的結構并創造空隙。這些空間使鋰離子更容易從電極中逸出并提高導電性。然而，摻雜會使 LLZO 與鋰金屬發生更強的反應，從而縮短電池的循環壽命。然而，研究人員在這里表明，電池可以充電至少 1,000 次充放電循環。

在這項研究中，研究人員檢查了當含有鋁或摻鎵的 LLZO 接觸金屬鋰時會發生什么。了解 LLZO 為什么根據添加的摻雜劑而表現不同，將有助于科學家為穩定可靠的固態電池設計更好的材料。

鎵摻雜對 LLZO 的影響

摻鎵 LLZO 很有吸引力，因為它的離子電導率比摻鋁 LLZO 高得多。然而，這些摻雜劑在與鋰接觸時的反應性使研究人員確定，為了使用鎵，需要一個界面層來保護和保持其導電性，但會阻止其反應性。

使用計算和實驗技術，研究人員發現鎵往往更容易從電解質中移出，并且更傾向于與鋰反應形成合金。這會導致鎵的數量減少。鎵的損失會導致鋰改變其結構并降低離子電導率。相反，摻鋁的 LLZO 保持完整。

“了解摻雜劑如何與鋰反應很重要，”阿貢物理學家、該論文的首席研究員彼得·扎波爾 （Peter Zapol） 說。“這是對良好電解質的另一個要求，而不僅僅是高導電性?！?/p>

在這種情況下，研究人員能夠測量摻雜材料的關鍵特性。同時，他們從原子級的角度了解了鋰金屬和固體電解質之間的界面上發生了什么。

研究人員使用一種稱為密度泛函理論的強大計算機方法（一種研究原子和電子在材料中的行為的量子力學建模方法），能夠預測各種摻雜劑的穩定性以及它們將如何與其他物質反應。

在考慮用于下一代電池的所有技術中，鋰空氣電池具有最高的預計儲能密度。因此，這項技術將大大增加電池可以存儲的能量。使用固態電解質而不是液體電解質也將大大減少火災引起的安全問題。

此外，這一發現為設計在室溫下工作的鋰基電池化學開辟了新思路。這些未來的設計可以實現更大的能量存儲。