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硼原子替代碳原子 闭合硼酸盐或成固态锂电池电解质材料

硼原子替代碳原子 闭合硼酸盐或成固态锂电池电解质材料

据外媒报道,劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的科学家Brandon Wood与(美国)国家标准技术局(National Institute of Standards and Technology,NIST)的科学家Mirjana Dimitrievska负责牵头一项国际性研发合作,其研究团队发现在锂电池电解液中,若采用硼原子(boron atom)代替碳原子(carbon atom),提升了锂离子的流动性。对于固态电池而言,该特点颇具吸引力。

这就是所谓“阻挫(frustration)”的一个示例:系统动态性决定了锂离子永远不会满足于停留于原位,所以锂离子会一直呈现移动状态。

相较于当下的电池,固态锂离子电池可提升安全性、电压及能量密度。然而,固态电池仍处于研发的初级阶段,截止至目前,鲜有能实现商用的固态锂电池。

固态电池商业化的核心障碍之一在于:可供选择的固态电解质材料太少,该类材料旨在确保锂离子能在正负极之间有效移动。

然而,可用的材料存在多种问题,一部分材料的稳定性存在问题,另一部分则难以加工,至于剩下的备选材料,大部分是因为锂离子的移动速率过缓而遭淘汰,这意味着在制作时,务必确保该材料十分纤薄。

新研究主要致力于新材料——闭合硼酸盐(closo-borates),最近发现该材料的锂离子流动率较快。据Wood透露,该款材料的电化学性能稳定,更易加工。相较于其他材料,其优点较多。

尽管该款材料也存在一定的商业化障碍,但热稳定性、机械强度及循环特性(cyclability)较高,这恰恰是该研究团队眼下关注的焦点。该款新材料颇具吸引力,未来或许会被用于替代当下的固态电解质材料。

该款电解质材料是一款盐类物质,其含有带正电荷的无水氯化锂(lithium cations)和带负电荷的闭合硼酸阴离子。该研究表明,闭合硼酸阴离子可快速地完成其位置的重新调整(reorient),在固态基质(solid matrix)内徘徊,按特定的优先定向(preferred direction)进行交替位移。

若向闭合硼酸阴离子添加碳,就会生成所谓的偶极子(dipole),后者将排斥附近碳原子内的锂离子。随着阴离子的疾驰(spin),碳原子将面向不同的位置,每次都将迫使固态基质内的锂离子移动到附近区域。由于该类盐内均为疾驰的阴离子,从而导致锂离子的流动速度变得非常快。(本文图片选自greencarcongress.com)

作者:李文龙

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