挪威科技大学重新探讨聚合物/陶瓷混合电解质 为下一代电动汽车电池制造材料

随着电动汽车的快速发展，人们迫切需要储能更高的新型电池来实现长续航里程。目前锂离子电池使用的是液体电解液，接近其理论能量密度极限。为了在不增加电池尺寸的情况下存储更多的能量，研究人员正在探索固体电解质。与锂离子电池相比，固态电池更安全、更稳定。据国外媒体报道，挪威科技大学(NTNU)的研究人员发现，在开发下一代电池时，有一种电解质材料曾经被认为是有前途的，现在需要重新研究和重新检验。

由锂石榴石陶瓷填料制成的纳米线的扫描电子显微镜图像。(来源:挪威科技大学)

陶瓷和聚合物的混合物

一种叫做聚环氧乙烷或PEO的聚合物符合固体电解质的要求，因为它柔韧、轻便且易于加工。然而，电解液需要具有良好的锂离子传导性，而PEO无法满足这一要求。另一方面，陶瓷材料具有良好的离子导电性，但不具有聚合物的机械优势。

因此，研究人员在聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU大学材料科学与工程系副教授Daniel Rettenwander说:“这个想法是将陶瓷颗粒放入这些聚合物中，然后以某种方式实现两个世界的最佳效果。”事实上，过去有很多报道认为聚合物电解质在添加填料后可以更好地传导离子，甚至有人认为这些填料可以形成锂离子穿过材料的快速通道网络。

然而，在这项研究中，Rettenwander和他的同事发现，这些填料实际上并不参与电解质中的锂离子运输。可能与之前的观点不同，但这一发现可能有助于研究人员走上更有效的道路，开发更好的电池。

了解材料的行为

研究人员使用不同数量的锂石榴石陶瓷(LLZO)填料来制作薄膜。这些填料以颗粒和线的形式存在，只有纳米宽度。然后，使用扫描电子显微镜观察薄膜的横截面，并与奥地利利奥本材料研究中心(MCL)的Roland Brunner合作，使用X射线计算机断层扫描技术从微观尺度拍摄材料内部的快照。

通过将这些快照与材料性质的测量结果进行比较，我们可以得出填充颗粒如何影响聚合物中离子行为的结论。研究人员发现，这些颗粒和纳米线均匀地分布在聚合物中，并没有形成可以加速锂离子传输的网络。事实上，含填料较多的薄膜离子电导率较差，支持了填料不参与离子传输的结论。Rettenwander说:“仅仅在薄膜中加入填充物并不能带来任何改善。虽然有些陶瓷确实提高了性能，但并不意味着这就是它们的固有特性。”

那么，为什么有些实验发现添加填料可以提高电导率，但实际上并没有起到离子输运的作用呢？研究人员认为，这可能是聚合物本身的变化，这使得该材料具有优势，即从有序的晶体结构变为更加无定形和不规则的形式。

电池的能量密度能翻倍吗？

当然，这并不意味着在聚合物中添加填料是固态电池研究的死胡同。Rettenwander说:“使用填充物仍然是一个很好的策略，但是仅仅把填充物放进去是不够的。为了让这些薄膜发挥作用，必须改善聚合物和陶瓷之间的界面。”例如，Rettenwander正在研究一种通过改变材料表面来促进形成更好结合的方法。

对于电动汽车使用的固态电池，如果能找到一种方法将这两种材料的优点结合起来，就可以大幅减少充电次数。Rettenwander说:“如果你能制造固态电池，你可以将能量密度提高近一倍，将续航里程提高近两倍。”

1随着电动汽车的快速发展，人们迫切需要储能更高的新型电池来实现长续航里程。目前，锂离子电池使用液体电解质，这是接近其……理论能量密度极限。为了在不增加电池尺寸的情况下存储更多的能量，研究人员正在探索固体电解质。与锂离子电池相比，固态电池更安全、更稳定。据国外媒体报道，挪威科技大学(NTNU)的研究人员发现，在开发下一代电池时，有一种电解质材料曾经被认为是有前途的，现在需要重新研究和重新检验。

由锂石榴石陶瓷填料制成的纳米线的扫描电子显微镜图像。(来源:挪威科技大学)

陶瓷和聚合物的混合物

一种叫做聚环氧乙烷或PEO的聚合物符合固体电解质的要求，因为它柔韧、轻便且易于加工。然而，电解液需要具有良好的锂离子传导性，而PEO无法满足这一要求。另一方面，陶瓷材料具有良好的离子导电性，但不具有聚合物的机械优势。

因此，研究人员在聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU大学材料科学与工程系副教授Daniel Rettenwander说:“这个想法是将陶瓷颗粒放入这些聚合物中，然后以某种方式实现两个世界的最佳效果。”事实上，过去有很多报道认为聚合物电解质在添加填料后可以更好地传导离子，甚至有人认为这些填料可以形成锂离子穿过材料的快速通道网络。

然而，在这项研究中，Rettenwander和他的同事发现，这些填料实际上并不参与电解质中的锂离子运输。可能与之前的观点不同，但这一发现可能有助于研究人员走上更有效的道路，开发更好的电池。

了解材料的行为

研究人员使用不同数量的锂石榴石陶瓷(LLZO)填料来制作薄膜。这些填料以颗粒和线的形式存在，只有纳米宽度。然后，使用扫描电子显微镜观察薄膜的横截面，并与奥地利利奥本材料研究中心(MCL)的Roland Brunner合作，使用X射线计算机断层扫描技术从微观尺度拍摄材料内部的快照。

通过将这些快照与材料性质的测量结果进行比较，我们可以得出填充颗粒如何影响聚合物中离子行为的结论。研究人员发现，这些颗粒和纳米线均匀地分布在聚合物中，并没有形成可以加速锂离子传输的网络。事实上，含填料较多的薄膜离子电导率较差，支持了填料不参与离子传输的结论。Rettenwander说:“仅仅在薄膜中加入填充物并不能带来任何改善。虽然有些陶瓷确实提高了性能，但并不意味着这就是它们的固有特性。”

那么，为什么有些实验发现添加填料可以提高电导率，但实际上并没有起到离子输运的作用呢？研究人员认为，这可能是聚合物本身的变化，这使得该材料具有优势，即从有序的晶体结构变为更加无定形和不规则的形式。

电池的能量密度能翻倍吗？

当然，这并不意味着在聚合物中添加填料是固态电池研究的死胡同。Rettenwander说:“使用填充物仍然是一个很好的策略，但是仅仅把填充物放进去是不够的。为了让这些薄膜发挥作用，必须改善聚合物和陶瓷之间的界面。”例如，Rettenwander正在研究一种通过改变材料表面来促进形成更好结合的方法。

对于电动汽车使用的固态电池，如果能找到一种方法将这两种材料的优点结合起来，就可以大幅减少充电次数。Rettenwander说:“如果你能制造固态电池，你可以将能量密度提高近一倍，将续航里程提高近两倍。”

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