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硼原子替代碳原子 閉合硼酸鹽或成固態鋰離子電池電解質材料

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月27日  

據外媒報道,勞倫斯利福摩爾國家實驗室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory,LLNL)的科學家BrandonWood與(美國)國家標準技術局(NationalInstituteofStandardsandTechnology,NIST)的科學家MirjanaDimitrievska負責牽頭一項國際性研發合作,其研究團隊發現在鋰離子電池電解液中,若采用硼原子(boronatom)代替碳原子(carbonatom),提升了鋰離子的流動性。關于固態電池而言,該特點頗具吸引力。


這就是所謂“阻挫(frustration)”的一個示例:系統動態性決定了鋰離子永遠不會滿足于停留于原位,所以鋰離子會一直呈現移動狀態。


相較于當下的電池,固態鋰離子電池可提升安全性、電壓及能量密度。然而,固態電池仍處于研發的初級階段,截止至目前,鮮有能實現商用的固態鋰離子電池。


固態電池商業化的核心障礙之一在于:可供選擇的固態電解質材料太少,該類材料旨在確保鋰離子能在正負極之間有效移動。


然而,可用的材料存在多種問題,一部分材料的穩定性存在問題,另一部分則難以加工,至于剩下的備選材料,大部分是因為鋰離子的移動速率過緩而遭淘汰,這意味著在制作時,務必確保該材料十分纖薄。


新研究重要致力于新材料——閉合硼酸鹽(closo-borates),最近發現該材料的鋰離子流動率較快。據Wood透露,該款材料的電化學性能穩定,更易加工。相較于其他材料,其優點較多。


盡管該款材料也存在一定的商業化障礙,但熱穩定性、機械強度及循環特性(cyclability)較高,這恰恰是該研究團隊眼下關注的焦點。該款新材料頗具吸引力,未來或許會被用于替代當下的固態電解質材料。


該款電解質材料是一款鹽類物質,其含有帶正電荷的無水氯化鋰(lithiumcations)和帶負電荷的閉合硼酸陰離子。該研究表明,閉合硼酸陰離子可快速地完成其位置的重新調整(reorient),在固態基質(solidmatrix)內徘徊,按特定的優先定向(preferreddirection)進行交替位移。


若向閉合硼酸陰離子添加碳,就會生成所謂的偶極子(dipole),后者將排斥附近碳原子內的鋰離子。隨著陰離子的疾馳(spin),碳原子將面向不同的位置,每次都將迫使固態基質內的鋰離子移動到附近區域。由于該類鹽內均為疾馳的陰離子,從而導致鋰離子的流動速度變得非常快。


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