锂离子电池 陶瓷制成的固态电解质有望实现更高的性能

它是性能更加强大的锂离子电池的希望所在:显示了锂离子“迁移路径”(黄色带状)的固态电解质(此处为 LiTi2(PO4)3,锂-绿色,钛-蓝色,磷-紫色,氧-红色)。

电动汽车、移动设备和可再生能源需要强大而耐用的蓄能器。弗劳恩霍夫 IWM 研究所正在研究如何利用固态电解质使锂离子电池变得更强劲、更环保和更安全。NZP 陶瓷看起来非常适合。

与传统的液态电解质相比,固态电解质在运行过程中更安全:它们的爆炸风险大大降低,而且如果损坏(例如因碰撞而损坏),也不会流出酸液,从而不会导致灼伤和中毒。这些都是优势。

但是总体而言,陶瓷材料的离子电导率以及作为有效蓄能器的适用性明显低于液态电解质。以 Daniel Mutter 为核心的弗劳恩霍夫材料建模团队在这一领域取得了重大进展,发现了合适的化合物来设计固态电解质。所谓的 NZP 陶瓷有望实现很高的离子电导率,结构化的构造上有便于锂离子移动的“迁移路径”。这使其成为适合锂离子电池高性能固态电解质的潜在候选材料。除了良好的电导率外,电池电解质还必须无毒且在地壳中含量丰富。

计算机模拟代替化学合成

Mutter 博士借助原子模拟确定了 NZP 陶瓷的多种化学元素组合,这些组合特别有希望。“我们可以通过基于计算机的研究对各种化学元素化合物的特性和稳定性做出可靠的陈述,而无需实际进行化学合成。”这位研究员解释道。优势之处在于:进行实际的合成时费用昂贵并且需要资源。他在卡尔斯鲁厄理工学院 Steinbuch 超级计算机中心的大计算机上进行了这些模拟。

充电时间更短,且运行时间更长

根据 Mutter 的说法,陶瓷固态电解质可以与锂金属阳极结合使用,具有这种结构的电池可以实现更高的能量密度和功率密度。之后将在实践中对此进行测试。  因为如果电解质材料在实践中大大提高了离子电导率,那么便意味着:电动汽车的充电时间可能会更短,续航里程可能会更长。另外,在容量相同时,锂金属阳极的重量明显小于之前使用的石墨烯阳极的重量,因此电池重量显著降低。

 

绿色电池制造供应链

此外,构成弗劳恩霍夫研究所电解质材料的化学元素在欧洲也很丰富,并且相对容易降解。而且可以避免锂离子电池使用钴等元素,钴通常需要从刚果进口。

除了获得电池研究方面的知识外,还可以更好地理解 NZP 陶瓷的原子过程。Mutter 博士发现,锂离子迁移所需的迁移能量与离子迁移路径周围的氧气环境的关系与之前不同。借助所发现的结构-特性关系可以更加坚实地预测对基于元素的种群对 NZP 陶瓷的结构框架和离子电导率的影响。这些分析是 DFG 资助的“高锂离子电导率陶瓷固态电解质的生产和特性”主题研究项目的一部分,该项目由弗劳恩霍夫 IWM 研究所与卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 以及慕尼黑工业大学合作开展。

背景知识:NZP 陶瓷

自 20 世纪 60 年代开始人们就已知道了 NZP 陶瓷的类别,它也被称为 NASICON。它的名字来自化学结构 NaZr2(PO4)3,在该化学结构中发现了特别有利于生产固态电解质的特性。通过由其他元素周围的氧原子形成的多面体的典型“灯笼”结构,实现 NZP 陶瓷的稳定性。由此产生出锂离子迁移路径的三维网络,带来陶瓷的高离子电导率。钠、锆和磷化学元素可变。如图所示,可以用锂代替钠,用钛代替锆。元素的可变性使得基于计算机分析大量元素组合的材料特性成为可能。