在寻找完美电池的过程中，科学家们有两个主要目标：创造一种可以储存大量能量并安全使用的设备。许多电池含有液体电解质，它们可能是易燃的。

因此，由完全固态组件组成的固态锂离子电池对科学家来说越来越有吸引力，因为它们提供了更高安全性和更高能量密度的诱人组合——这是电池可以存储多少能量一次。给定的体积。

加拿大滑铁卢大学的研究人员是总部位于美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的储能研究联合中心 (JCESR) 的成员，他们发现了一种具有几个重要优势的新型固体电解质。

这种由锂、钪、铟和氯组成的电解质可以很好地传导锂离子，但传导电子很差。这种组合对于创建全固态电池至关重要，该电池在高压(高于 4 伏)下超过一百个循环和在中间电压下数千个循环都不会显着失去容量。电解质的氯化物性质是其在 4 伏以上工作条件下稳定性的关键——这意味着它适用于构成当今锂离子电池支柱的典型阴极材料。

“固态电解质的主要吸引力在于它不会着火，并且可以有效地放置在电池中;我们很高兴展示了稳定的高压操作，”杰出研究教授 Linda Nazar 说滑铁卢大学化学系博士和 JCESR 的长期成员。

固态电解质的当前迭代主要集中在硫化物上，硫化物在 2.5 伏以上时会氧化和降解。因此，它们需要在工作电压高于 4 伏的阴极材料周围加入绝缘涂层，这会削弱电子和锂离子从电解质移动到阴极的能力。

“对于硫化物电解质，你有一个难题——你想将电解质与阴极电子隔离，使其不会氧化，但你仍然需要阴极材料具有电子导电性，”纳扎尔说。

虽然 Nazar 的团队并不是第一个设计氯化物电解质的团队，但根据他们之前的工作，将一半的铟换成钪的决定被证明是在更低的电子和更高的离子电导率方面的赢家。“氯化物电解质变得越来越有吸引力，因为它们只在高电压下氧化，有些与我们拥有的最好的阴极化学相容，”纳扎尔说。“最近报道了其中一些，但我们设计了一种具有明显优势的产品。”

离子电导率的一个化学关键在于材料的纵横交错的 3D 结构，称为尖晶石。研究人员必须平衡两个相互竞争的愿望——尽可能多地在尖晶石上装载带电荷的离子，但也要让位点保持开放，让离子通过。Nazar 说：“你可能会认为这就像尝试举办一场舞会——你希望人们来，但又不希望它太拥挤。”

根据 Nazar 的说法，理想的情况是尖晶石结构中的一半位点被锂占据，而另一半保持开放，但她解释说，创造这种情况很难设计。

除了锂具有良好的离子传导性外，Nazar 和她的同事还需要确保电子不能轻易地穿过电解质，从而在高压下触发其分解。“想象一下跳房子游戏，”她说。“即使你只是想从第一个方格跳到第二个方格，如果你能创造一堵墙，让电子(在我们的例子中)难以跳过，这就是这种固体电解质的另一个优势。 "

Nazar 说，目前尚不清楚为什么电子电导率低于许多先前报道的氯化物电解质，但它有助于在正极材料和固体电解质之间建立干净的界面，这一事实在很大程度上是造成即使在高用量下仍能保持稳定性能的原因正极中的活性物质。

基于该研究的论文“高面积容量、长循环寿命的氯化物固体电解质实现的 4 V 陶瓷全固态锂离子电池”发表在 1 月 3 日的 Nature Energy 网络版上。

该论文的其他作者包括 Nazar 的研究生、负责大部分工作的 JCESR 成员 Laidong Zhou，以及 UWaterloo 的 Se Young Kim、Chun Yuen Kwok 和 Abdeljalil Assoud。其他作者包括德国 Justus Liebig 大学的 Tong-Tong Zuo 和 Juergen Janek 教授以及美国能源部橡树岭国家实验室的张强。