原材料有了廉价替代品，锂离子电池迎来新生_风闻

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编译／德克斯特  审稿／alone  责编／张梦

研究人员开发了一种极具应用前景的新阴极和电解质体系，有望替代现在使用的昂贵金属材料和传统电解质。

                                           研究人员Gleb Yushin与Kostiantyn Turcheniuk

近年来，锂离子电池受欢迎程度越来越高，这给全球的钴、镍供应带来了巨大压力。作为锂离子电池中不可或缺的两种金属，镍和钴的价格已开始飙升。

据rh.gatech.edu网站9月9日报道，为了降低锂电池对稀有金属的依赖性，美国佐治亚理工学院的研究人员开发出了一种极具应用前景的新阴极和电解质体系，有望替代现在使用的昂贵金属和传统电解质。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授Gleb Yushin表示：“长期以来，过渡金属氟化物制成的电极一直存在稳定性较差和快速失效等缺陷。这导致人们对它们能否用于下一代电池持怀疑态度。我们的研究表明，金属氟化物在与固体聚合物电解质配合使用时，在高温下表现出了非凡的稳定性。这可能促成更安全、更轻、更便宜的锂离子电池的诞生。”

在典型的锂离子电池中，能量通过锂离子在阳极和阴极之间的转移而释放。其中，阴极通常由锂和过渡金属（钴、镍和锰等）构成。

作为锂离子电池中不可或缺的两种金属，钴（左）和镍（右）的价格已开始飙升。

Yushin教授等在《自然·材料学》杂志中发表的论文，以氟化铁活性材料和固体聚合物电解质纳米复合材料制备了一种新型阴极。新型氟化铁阴极的锂容量是传统钴或镍阴极的两倍多，但铁的价格却仅为钴的三百分之一，镍的一百五十分之一。

为了制造新型阴极，研究人员开发了将固体聚合物电解质渗入预制氟化铁电极的工艺。随后，他们对阴极结构进行整体热压，以提高密度，减少空隙。聚合物电解质的主要优点在于，它在循环过程中能够容纳氟化铁的膨胀，并与其形成稳定、灵活的界面。

Yushin说：“此前，科学家们虽然发现了氟化铁阴极的巨大潜力，但其在循环过程中的体积变化、与液体电解质的副反应等问题对实际应用构成了极大限制。我们开发的弹性固体电解质可以解决这些问题。”

研究人员对多种新型固态电池进行了测试，分析了它们在122华氏度高温下充放电300余次时的性能。结果表明，即使在室温下，它们的性能也优于此前的金属氟化物性能。

Yushin教授等认为，提高电池性能关键因素之一是电解质。此前，人们认为金属离子迁移到阴极表面后会溶解于液体电解质中，导致容量损失。这种情况在高温下表现得尤为突出。此外，当电池的温度高于100华氏度时，金属氟化物会对液体电解质产生催化分解效果。改用固态电解质和新阴极，溶解和分解情况就几乎绝迹了。

研究人员Kostiantyn Turcheniuk解释说：“我们使用的聚合物电解质虽然很常见，但它可以有效防止副反应，增强电池稳定性。”

接下来，研究人员的目标主要包括：新开发及改进固体电解质，使其满足快充功能；将固体电解质和液体电解质有机结合后融入新设计中，以使其与大型电池工厂使用的传统电池制造技术兼容。

期刊来源：《自然·材料学》

期刊编号：1476-1122

原文链接：

http://rh.gatech.edu/news/625828/stretchy-plastic-electrolytes-could-enable-new-lithium-ion-battery-design

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