科學家發現了一種穩定的高導電性鋰離子導體
科學家發現了一種穩定且高導電性的鋰離子導體，可用作固態鋰離子電池中的固態電解質。固態鋰離子電池使用固體電解質，不易燃，與液體電解質電池相比，具有更高的能量密度和離子遷移數。 這些功能使它們成為傳統液體電解質電池主導市場（包括電動車）的潛在替代品。 儘管有這些優點，固體電解質仍存在缺點，例如鋰離子電導率較低以及難以維持電極與固體電解質之間的充分接觸。
雖然硫化物固體電解質具有導電性，但它們會與水分反應形成有毒的二硫化氫。 因此，需要既導電又在空氣中穩定的非硫化物固態電解質來製造安全、高性能和快速充電的固態鋰離子電池。
在最近發表在《材料化學》雜誌上的一項研究中，由東京理科大學Kenjiro Fujimoto 教授、Akihisa Aimi 教授和DENSO CORPORATION 的Shuhei Yoshida 博士領導的研究小組發現了一種穩定且高導電性的鋰離子導體燒綠石型氟氧化物的形式。
藤本教授表示：「製造全固態鋰離子二次電池是許多電池研究人員長期以來的夢想。我們發現了一種氧化物固體電解質，它是全固態鋰離子電池的關鍵組成部分，它兼具高能量密度和安全性。
本工作研究的燒綠石型氟氧化物可表示為Li 2- x La (1+ x )/3 M 2 O 6 F ( M = Nb, Ta)。 使用各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。 具體來說，開發了Li 1.25 La 0.58 Nb 2 O 6 F，在室溫下表現出7.0 mS cm⁻¹的體離子電導率和3.9 mS cm⁻¹ 的總離子電導率。 發現它比已知的氧化物固體電解質的鋰離子電導率更高。 該材料的離子傳導活化能極低，且該材料在低溫下的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。
確切地說，即使在–10°C 的溫度下，新材料在室溫下也具有與傳統氧化物基固體電解質相同的電導率。 此外，由於在100 °C 以上的電導率也已得到驗證，因此該固體電解質的工作範圍為–10 °C 至100 °C。 傳統的鋰離子電池無法在低於冰點的溫度下使用。 因此，常用手機鋰離子電池的工作條件為0℃至45℃。
研究了該材料中的鋰離子傳導機制。 燒綠石型結構的傳導路徑覆蓋了位於MO6 八面體形成的隧道中的F 離子。 傳導機制是鋰離子的順序運動，同時改變與氟離子的鍵結。 Li離子總是穿過亞穩態位置移動到最近的Li位置。 與F 離子結合的固定La3+ 透過阻斷傳導路徑並消除周圍的亞穩態位置來抑制鋰離子傳導。
與現有的鋰離子二次電池不同，氧化物基全固態電池不存在因損壞而導致電解液洩漏的風險，也不像硫化物基電池那樣產生有毒氣體的風險。 因此，這項新的創新預計將引領未來的研究。 「新發現的材料是安全的，並且比先前報告的基於氧化物的固體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，這種電池可以在從低到高的寬溫度範圍內工作，」藤本教授展望道。 “我們相信固體電解質應用於電動車所需的性能是滿足的。”
值得注意的是，新材料非常穩定，如果損壞也不會點燃。 它適用於飛機和其他對安全至關重要的地方。 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，它還是一種有前途的用於電池、家用電器和醫療設備小型化的材料。
總之，研究人員不僅發現了一種具有高導電性和空氣穩定性的鋰離子導體，而且還引入了一種新型的超離子導體–焦綠寶石型氧氟化物。探討鋰周圍的局部結構、它們在傳導過程中的動態變化，以及它們作為全固態電池固態電解質的潛力，是未來研究的重要領域。
編譯來源：ScitechDaily