东京工业大学研发无锗固态电解质

 

无锗固态电解质

 

该研究团队在在美国化学会（ACS）期刊——《材料化学（Chemistry of Materials）》上发表了论文，其技术方案为：采用锡与硅替代固态电解质内的锗（germanium）元素，因为上述两项材料的化学稳定性更强。相较于液态电解质，新材料提升了锂离子的导电率。在谈论其研究成果时，Ryoji Kanno与他的同事表示：“这款固态电解质不含锗，未来或许所有固态电池都会采用该电解质。”

 

配有固态电解质（SEs）的全固态电池系统有望角逐新一代电池。据估计，该类电池所能提供的电量大、能源密度高、性能稳定、安全性能也有所提高。硫化物基锂离子导体（Sulfide-based lithium-ion conductors）的导电性高、电化学窗口（也有译作：“电位范围”，electrochemical windows）及机械性能也不错。为此，目前许多机构都在大力研发固态电解质。

 

Li10GeP2S12（LGPS）是结晶硫电解质产品系列的新成员，其导电性为1.2 × 10−2 S cm−1，可媲美有机液态电解质（organic liquid electrolytes）。全固态电池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS电解质，其充放电性能相当出色。然而，锗元素价格相对较贵，或将限制LGPS材料的广泛应用。    

 

在设计锂离子导体时，晶体结构类型也是一项重要因素。若不同材料的结构类型相近，且固体的导电性高，那么新材料的导电性能就会更好。LGPS类结构的锂离子扩散率高。未来，硅基及锡基的无锗材料均可能被用作为固态电解质并得到实际应用。

 

 

新材料的原子排布被命名为LSSPS。新款无锗材料采用的结果为Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。

 

全固态电池的优势

 

相较于采用锂离子导电液体的常见锂离子电池，未来的全固态电池拥有以下优势：安全性及可靠性得到提升，储能量较高、使用寿命更长。

 

超离子导体（superionic conductors）——固态晶体（solid crystals）的研究发现提升了锂离子的移动速率，进而促进这类电池的研发进展，但这款前景较好的设计却一度依赖于对稀有金属锗的应用，由于其价格过于昂贵，无法实现大规模应用。

 

Kanno表示，由于化学稳定性高且易于装配，这款新材料提升了对固态电解质进行精细调整的可能性，进而满足各类工业需求及消费需求。

 

2011年，Kanno及其团队成员与丰田汽车、日本的高能加速研究机构（KEK）开展合作，在发表的论文中引入了结构为Li10GeP2S12 (LGPS)的固态电解质。该材料在纯固态电池研发竞争中占据了先手，该团队还基于LGPS结构研发其他的固态电解质并取得了成效。

 

优化LGPS框架结构提升性能

 

在最近发布的一篇论文中，研究人员保留了相同的LGPS框架结构，对锡、硅及其他成分的原子的速率及位置分布进行了精密调整。其研究成果LSSPS材料（成分：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)）在室温下的锂离子导电性为1.1 x 10-2 S cm-1，几乎接近最初的LGPS结构的性能。

 

尽管还需要进行进一步的调整，研究人员可根据其不同的用途来优化材料性能，为降低生产成本带来了新希望，且不必牺牲材料的性能。

 

 

循环伏安图及充放电曲线。该材料的稳定性高，充放电能力强，在20次充放电周期内，其容量保持率（capacity retention）高。