研究人員為更好的鋰離子電池接口奠定了堅實的基礎

桑迪亞國家實驗室的研究已經確定了推動小型電子產品中固態鋰離子電池性能的主要障礙：鋰離子在電池接口上的流動。

桑迪亞為期三年的實驗室指導研究和開發項目研究了固態電池的納米級化學，重點關注電極和電解質接觸的區域。大多數商用鋰離子電池含有液體電解質和兩個固體電極，但固態電池則具有固體電解質層，使其壽命更長，運行更安全。

“這項工作的基本目標是提高固態電池的效率，改善不同材料之間的界面，”Sandia物理學家Farid El Gabaly說。“在這個項目中，所有材料都是堅固的;我們沒有像傳統鋰離子電池那樣的液固接口。”

該研究發表在一篇名為“非法拉第Li +遷移和化學配位跨固態電池接口” 的納米快報論文中。作者包括桑迪亞博士后科學家Forrest Gittleson和El Gabaly。這項工作由實驗室指導研究和發展計劃資助，由能源部科學辦公室提供補充資金。

El Gabaly解釋說，在任何鋰電池中，鋰在充電和放電時必須從一個電極來回移動。然而，鋰離子的遷移率在所有材料中并不相同，并且材料之間的界面是主要障礙。

El Gabaly比較了如何讓交通在繁忙的十字路口快速移動的工作。

“對我們來說，我們正在努力減少兩種材料之間交匯處的交通堵塞，”他說。

El Gabaly將電極 - 電解質界面比作收費站或在高速公路上合并。

他說：“我們基本上是在取走現金，說每個人都需要經歷快車道，所以你要平滑或消除減速。” “當您在界面上改進過程時，您就擁有了正確的基礎設施，可以讓車輛輕松通過。您仍然需要付費，但它比在手套箱中搜索硬幣的人更快，更有控制力。”

他解釋說，在陰極 - 電解質結和電解質 - 陽極結處，固態電池有兩個重要的接口。兩者都可以決定完整電池的性能極限。

Gittleson補充道，“當我們發現其中一個瓶頸時，我們會問，'我們可以修改它嗎?' 然后我們嘗試改變界面，使化學過程隨著時間的推移變得更加穩定。“

桑迪亞對固態電池的興趣

El Gabaly說桑迪亞對這項研究很感興趣，主要是因為固態電池維護成本低，可靠且安全。液體電解質通常是反應性的，揮發性的和高度易燃的，并且是商業電池故障的主要原因。消除液體組分可以使這些裝置表現更好。

“我們的重點不是大型電池，比如電動汽車，”El Gabaly說。“對于小型或集成電子產品來說更是如此。”

由于桑迪亞的加利福尼亞實驗室沒有進行固態電池研究，該項目首先建立了電池原型和檢查接口的基礎。

“這種表征并非微不足道，因為我們感興趣的界面只有幾個原子層厚，”Gittleson說。“我們使用X射線來探測這些埋藏界面的化學性質，只看到幾納米的材料。雖然設計實驗很有挑戰性，但我們已經成功地探測了這些區域并將化學與完整的電池性能聯系起來。”

處理研究

該研究使用的材料已在先前的概念驗證固態電池中使用。

“由于這些材料不是以大規模商業規模生產的，我們需要能夠在現場制造完整的設備，”El Gabaly說。“我們通過以各種方式插入或更換接口或交換材料來尋求改進電池的方法。”

該工作使用脈沖激光沉積和X射線光電子能譜結合電化學技術。由于電池很薄并且集成在硅晶片上，因此這允許非常小規模的沉積。

“使用這種方法，我們可以將界面設計到納米甚至亞納米水平，”Gittleson說，并補充說，創建了數百個樣本。

以這種方式構建電池使研究人員能夠準確地了解界面的外觀，因為材料可以可控制地組裝。

研究的下一階段是改善電池的性能，并將其與其他桑迪亞技術一起組裝。

“我們現在可以開始將我們的電池與LED，傳感器，小型天線或任何數量的集成設備相結合，”El Gabaly說。“盡管我們對電池性能感到滿意，但我們總是可以嘗試進一步改進它。”