研究人员为更好的锂离子电池接口奠定了坚实的基础

桑迪亚国家实验室的研究已经确定了推动小型电子产品中固态锂离子电池性能的主要障碍：锂离子在电池接口上的流动。

桑迪亚为期三年的实验室指导研究和开发项目研究了固态电池的纳米级化学，重点关注电极和电解质接触的区域。大多数商用锂离子电池含有液体电解质和两个固体电极，但固态电池则具有固体电解质层，使其寿命更长，运行更安全。

“这项工作的基本目标是提高固态电池的效率，改善不同材料之间的界面，”Sandia物理学家Farid El Gabaly说。“在这个项目中，所有材料都是坚固的;我们没有像传统锂离子电池那样的液固接口。”

该研究发表在一篇名为“非法拉第Li +迁移和化学配位跨固态电池接口” 的纳米快报论文中。作者包括桑迪亚博士后科学家Forrest Gittleson和El Gabaly。这项工作由实验室指导研究和发展计划资助，由能源部科学办公室提供补充资金。

El Gabaly解释说，在任何锂电池中，锂在充电和放电时必须从一个电极来回移动。然而，锂离子的迁移率在所有材料中并不相同，并且材料之间的界面是主要障碍。

El Gabaly比较了如何让交通在繁忙的十字路口快速移动的工作。

“对我们来说，我们正在努力减少两种材料之间交汇处的交通堵塞，”他说。

El Gabaly将电极 - 电解质界面比作收费站或在高速公路上合并。

他说：“我们基本上是在取走现金，说每个人都需要经历快车道，所以你要平滑或消除减速。” “当您在界面上改进过程时，您就拥有了正确的基础设施，可以让车辆轻松通过。您仍然需要付费，但它比在手套箱中搜索硬币的人更快，更有控制力。”

他解释说，在阴极 - 电解质结和电解质 - 阳极结处，固态电池有两个重要的接口。两者都可以决定完整电池的性能极限。

Gittleson补充道，“当我们发现其中一个瓶颈时，我们会问，'我们可以修改它吗?' 然后我们尝试改变界面，使化学过程随着时间的推移变得更加稳定。“

桑迪亚对固态电池的兴趣

El Gabaly说桑迪亚对这项研究很感兴趣，主要是因为固态电池维护成本低，可靠且安全。液体电解质通常是反应性的，挥发性的和高度易燃的，并且是商业电池故障的主要原因。消除液体组分可以使这些装置表现更好。

“我们的重点不是大型电池，比如电动汽车，”El Gabaly说。“对于小型或集成电子产品来说更是如此。”

由于桑迪亚的加利福尼亚实验室没有进行固态电池研究，该项目首先建立了电池原型和检查接口的基础。

“这种表征并非微不足道，因为我们感兴趣的界面只有几个原子层厚，”Gittleson说。“我们使用X射线来探测这些埋藏界面的化学性质，只看到几纳米的材料。虽然设计实验很有挑战性，但我们已经成功地探测了这些区域并将化学与完整的电池性能联系起来。”

处理研究

该研究使用的材料已在先前的概念验证固态电池中使用。

“由于这些材料不是以大规模商业规模生产的，我们需要能够在现场制造完整的设备，”El Gabaly说。“我们通过以各种方式插入或更换接口或交换材料来寻求改进电池的方法。”

该工作使用脉冲激光沉积和X射线光电子能谱结合电化学技术。由于电池很薄并且集成在硅晶片上，因此这允许非常小规模的沉积。

“使用这种方法，我们可以将界面设计到纳米甚至亚纳米水平，”Gittleson说，并补充说，创建了数百个样本。

以这种方式构建电池使研究人员能够准确地了解界面的外观，因为材料可以可控制地组装。

研究的下一阶段是改善电池的性能，并将其与其他桑迪亚技术一起组装。

“我们现在可以开始将我们的电池与LED，传感器，小型天线或任何数量的集成设备相结合，”El Gabaly说。“尽管我们对电池性能感到满意，但我们总是可以尝试进一步改进它。”