东京工业大学开发新设计规则 实现最高容量全固态电池

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盖世汽车讯 7月7日，东京工业大学（Tokyo Institute Of Technology）的研究人员报告称，通过增加复合超离子晶体的复杂性，可以为毫米电池电极设计具有高锂离子电导率的固体电解质。这种新的设计规则使研究人员能够合成高熵活性材料，同时保持其超离子传导性。

图片来源：东京工业大学

随着世界不断向更绿色、更可持续的能源经济转型，对锂离子电池的依赖预计将持续增加。全球科学家都在努力设计更小但更高效的电池，以满足不断增长的能源存储需求。近年来，凭借其独特地使用固体电解质而不是传统的液体电解质，全固态锂电池（ASSLB）吸引了众多科学家的研究兴趣。

固体电解质不仅使电池更安全，避免泄漏和火灾相关的危险，而且还可提供高能量密度和卓越功率特性。然而，其刚性导致阴极表面润湿性差，并且无法向阴极均匀供应锂离子，从而导致固态电池的容量损失。这个问题在厚电池阴极（例如毫米厚的阴极）中尤为明显。与典型厚度<0.1毫米的传统电极相比，厚电池阴更有利，可实现廉价且高能量密度的电池封装。

由东京工业大学的Ryoji Kanno教授领导的研究小组发明出生产具有增强锂离子电导率的固体电解质的新策略，相关研究已发表于期刊《Science》。这一成果建立了通过多取代方法合成锂超离子导体高熵晶体的设计规则。

Kanno教授表示：“许多研究表明，无机离子导体在多元素取代后往往会表现出更好的离子电导率，这可能是因为锂离子迁移的势垒变平，这对于更好的离子电导率至关重要。”在新材料的设计中，该团队从两种锂基固体电解质的化学成分中获得灵感：银汞矿型（Li6PS5Cl）和LGPS型（Li10GeP2S12）超离子晶体。研究团队通过多重取代对LGPS型Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3进行改性，并利用Li9.54[Si1−δMδ]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6（M = Ge、Sn；0≤δ≤1）合成了一系列晶体。

研究人员使用Ge = M且δ = 0.4的晶体作为ASSLB中的阴极电解液，阴极厚度为1或0.8毫米。前者和后者在25℃（1mm）和-10℃（0.8mm）下的放电容量分别为26.4mAh cm−2和17.3mAh cm−2，面积比容量分别为此前ASSLB（最大面积比容率）的1.8倍和5.3倍。理论计算表明，固体电解质的增强导电性可能是由于上述晶体中一小部分化学置换导致离子迁移能垒变平所致。

这项研究为制备毫米厚电极的高熵固体电解质提供了一种新方法，同时保留其超离子传导路径。Kanno教授表示：“所提出的设计规则为即使在室温下也具有优异充放电性能的新型超离子导体奠定了坚实的基础。”

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