新型固體電解質材料可提高電池安全性和能量容量

利物浦大學的研究人員公布了一種新型固體電解質材料，這種材料能夠以與液體電解質相同的速度傳導鋰離子，這是一項可能重塑電池技術格局的重大突破。

固體電解質比液體電解質有一個關鍵的好處——它們不會爆炸。當然，到目前為止，安全性的提高是以性能下降為代價的。具體而言，固體電解質通常更不善于將鋰離子傳導通過其材料。

現在，利物浦的研究人員已經用一種由鋰、硅、硫和碘制成的新型固體電解質解決了離子傳輸問題，該電解質呈三維晶體結構。研究人員于2月16日在《科學》雜志上發表了他們的研究成果。

這種結構為鋰離子在材料中確定位置提供了15種不同的途徑。這些途徑被稱為配位環境，指的是帶正電的離子（陽離子）被相鄰的原子或分子包圍并與之相互作用的方式。

這些途徑的數量標志著與當前最先進的鋰固體電解質的顯著不同，后者的晶體結構中通常只有三到四種不同的鋰環境。

“環境為鋰在晶體結構中的移動提供了大量的途徑，”利物浦大學教授、該論文的合著者之一Matthew Rosseinsky說，“此外，材料中的鋰環境存在高度無序。對于固體中的離子傳輸，無序程度越高越好?！?/p>

Rosseinsky表示，晶格中鋰運動的多種途徑允許有效的離子導電性。與支持更少、更相似路徑的傳統固體電解質不同，這種新材料將更高密度的結構與多種路徑相結合，為鋰離子提供了多種運動選擇。這種結構多樣性降低了離子捕獲的可能性，并提高了整體電導率。

在對該材料的研究中，研究人員證實，該材料的異常電導率與液體電解質的電導率相當。此外，該材料表現出低活化能，表明鋰離子運動的能量屏障最小。研究人員認為，這些有希望的結果將這種新材料定位為下一代電池技術中用作固體電解質的可行候選者。

Rosseinsky表示，在實際的電池應用中，這種新材料表現出了令人印象深刻的性能特征。與傳統的液體電解質相比，這種新材料作為全固態電池配置的電解質與鋰鈷氧化物陰極和鋰金屬陽極一起工作，具有更好的能量密度、功率密度和循環壽命。

Rosseinsky說：“這種材料與現有的固體電解質沒有直接競爭。這項研究的目的是開拓固體電解質發現的新方向，專注于提高鋰的遷移率和電池的整體性能?！盧osseinsky還強調，新型固體電解質的成分由無毒、地球豐富含量的元素組成，強調了其潛在的環境效益。

Rosseinsky另外提到：“由于鋰、硅、硫和碘易于獲得且無毒，這種材料與電池行業實現可持續性和資源利用效率的努力相一致。此外，地球豐富元素的使用支持電池回收、最大限度地減少環境影響和促進循環經濟的舉措?！?/p>

這一進展的意義不僅僅局限于電池研究。研究人員將人工智能模型納入他們的研究，這使他們能夠擴大對可能的高性能材料的搜索。在研發過程中，人工智能促進了有前景的化學成分的識別，引導研究人員尋找具有獨特結構特征的有利于離子傳輸的材料。

然而，Rosseinsky指出，“人工智能對研究人員來說是一個有用的工具。但這個過程始終由研究人員自己根據他們的理解進行指導，并借鑒了各種各樣的方法，其中大多數都沒有使用人工智能?！?/p>

Rosseinsky承認，在廣泛采用這種材料方面仍然存在挑戰。該材料在空氣和濕氣中的不穩定性是制造過程中的一個重大障礙，需要在電池組裝過程中控制環境以保持穩定性。此外，盡管這種新材料提供了有前景的性能特征，但還需要進一步研究，以優化其合成、可擴展性以及與現有電池技術的兼容性。

審核編輯：劉清