東京理科大學的科學家發現了一種穩定且高導電性的鋰離子基材料，其形式為焦氯氯化物型氟氧化物，它是下一個無硫固體電極的候選材料，該電極將能夠創造出最先進的電極材料。除此之外，這些新型電極不存在寒冷氣候下無法運作的問題。
全固態鋰離子電池比液態電解質電池具有更高的安全性和能量密度，但面臨電導率較低和電極之間接觸不足等挑戰。
這種高導電性非硫化固態電解質為生產高效耐用的固態電池鋪平了道路。這項研究發表在《材料化學》上，並得到了電裝公司的資助。
採用固態電解質的全固態鋰離子（Li-ion）電池不易燃，且比採用液態電解質的電池具有更高的能量密度和傳輸速率。預計它們將佔領電動車等傳統液體電解質鋰離子電池的市場份額。
目前，硫化物基材料已用於導電的固態鋰電池，與水分反應形成有毒的二硫化氫。因此，需要導電且在空氣中穩定的固態非硫化電解質，以製造安全、高性能和快速充電的固態鋰離子電池。
本工作研究的燒綠石型氟氧化物可以用一個不太簡單的公式Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)來表示。使用多種技術對其進行結構和成分分析，包括 X 射線衍射、Rietveld 分析、電感耦合等離子體發射光譜法和選區電子衍射。具體而言，我們開發了Li1.25La0.58Nb2O6F，其在室溫下的體離子電導率為7.0 mS cm -1 ，總離子電導率為3.9 mS cm -1 。
發現鋰離子電導率高於已知的固體氧化物電解質。該材料的離子傳導活化能極低，且該材料的低溫離子電導率是已知固體電解質（包括硫化物基材料）中最高的之一。就精度而言，即使在 -10°C 下，新材料在室溫下也具有與傳統固體氧化物基電解質相同的電導率。此外，由於也測試了100°C以上的電導率，因此這種固體電解質的工作範圍為-10°C至100°C，無法在零至更低的溫度下使用。因此，常用手機鋰離子電池的工作條件為0℃至45℃。
研究了鋰離子在該材料中的傳導機制。燒綠石型結構的傳導路徑覆蓋位於 MO6 八面體形成的隧道中的 F 離子。傳導機制是鋰離子在改變與 F 離子的鍵時的順序運動，鋰離子向最近的鋰位置移動，總是穿過亞穩態位置。與 F 離子結合的固定 La3+ 抑制 Li 離子的傳導，阻斷傳導路徑並消除周圍的亞穩態位置。
與現有的鋰離子二次電池不同，氧化物基固態電池不會因損壞而造成電解液洩漏的風險，也不會像硫化物基電池那樣產生有毒氣體的風險。因此，這項新的創新有望推動未來的研究。
特別是，新材料穩定性高，損壞後不會著火。它適用於飛機和其他安全至上的地方。它還適合高容量應用，例如電動車，因為它可以在高溫下使用並支援快速充電。此外，它也是用於電池、家用電器和醫療設備小型化的有前途的材料。
藤本教授表示：「製造全固態二次鋰離子電池一直是許多電池研究人員的夢想。我們發現了一種固態氧化物電解質，它是全固態鋰離子電池的關鍵組成部分，具有高能量密度和安全性。除了在空氣中穩定之外，該材料還比先前報導的固體氧化物電解質具有更高的離子電導率。
「新發現的材料是安全的，並且比先前報告的固體氧化物基電解質具有更高的離子電導率。這種材料的應用有望開發出革命性的電池，這些電池可以在從低到高的寬溫度範圍內運行，」藤本教授預測。 “我們相信，滿足電動車固體電解質應用的性能要求。”
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文章《鋰：為無硫固態電池發現的創新材料》來自Scenari Economici 。
這是在 Fri, 10 May 2024 08:00:11 +0000 在 https://scenarieconomici.it/litio-scoperto-innovativo-materiale-per-le-batterie-solide-senza-zolfo/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。