固态电池关键材料保持低温原因揭示 有助研发更安全、更高能电池

科技日报记者 张佳欣

LLZTO（氧化锂镧锆钽）是一种固态电池关键材料，在运行过程中会保持异常低温，被认为是未来固态可充电电池的理想候选。据发表在美国物理学会《PRX 能源》期刊的最新研究，美国加州大学河滨分校工程师团队发现了该材料保持低温的原因。这一突破性发现有望推动更安全、更高能量密度的下一代锂电池研发。

在充放电过程中，电池会因内部化学反应产生热量。如果热量无法及时散发，会使性能下降、寿命缩短，甚至导致电池起火或爆炸。

LLZTO是一种陶瓷材料，可用作固态电解质，提供更高能量密度，同时显著降低过热和起火风险。然而科学家此前并不清楚，这种材料的热导率（传导热量的能力）为何异常之低。

为探究LLZTO的特性，研究人员采用漂浮区法生长出LLZTO单晶。单晶结构可反映材料的本征特性。结果显示，LLZTO的热导率仅为1.59瓦/米·开尔文，约是铜的1/250，表明低热导率是材料的固有属性。通过中子散射实验并结合先进模拟发现，其原因与晶格中原子的振动方式有关。

在固体材料中，热量由声子（原子振动的量子化形式）携带。研究发现，LLZTO中存在大量光学声子模式，这些不同步的振动会与主要传热的声学声子相互作用，使其散射，从而阻碍热传导。此外，LLZTO还具有较大的“非简谐性”，即原子振动偏离理想状态的程度，这与材料中可移动离子的运动相关，说明传统热传导模型可能并不能完全解释其行为。

研究人员表示，即使离子在其中高速移动，这种材料仍能保持温度稳定。理解LLZTO如何天然阻碍热流，对于掌握固态电池内部温度变化、防范安全风险至关重要。这一发现提供了在原子层面调控热量的新思路，有助于预测电池内部温度分布、改进热管理，从而设计出更安全、更高性能的电池。