隨著智能手機、筆記本電腦、汽車和電網(wǎng)的發(fā)展，對電池儲能的需求不斷增長。固態(tài)電池的安全性更高、使用壽命更長，被視為最有前途的下一代技術之一。據(jù)外媒報道，作為美國能源部阿貢國家實驗室領導的能源創(chuàng)新中心，能源存儲研究聯(lián)合中心（JCESR）在固態(tài)電池方面取得重大進展。固態(tài)電池面臨的一個主要挑戰(zhàn)在于，如何提升固態(tài)電解質中鋰離子的擴散率。因為比起傳統(tǒng)鋰離子電池中用的液體有機電解質，它的擴散率通常較慢。
加拿大滑鐵盧大學的主要教授Linda Nazar是JCESR團隊的合作成員之一。Nazar教授及其博士后研究助理Zhizhen Zhang展示了，如何通過明輪明輪效應（paddlewheel effect），即原子的協(xié)調運動，促進鋰離子在固態(tài)電池中的流動。據(jù)Nazar介紹，固態(tài)電池使用固體電解質，而不是通常的液體有機電解質，有望成為鋰離子電池的替代品。Nazar說：“它們具有成為更安全、更持久電池的潛力，可以提供更高的能量密度，這對各種電化學儲能應用很重要，比如汽車、機器人、無人機等等。作為固態(tài)電池中最重要的組成部分，在很大程度上，固態(tài)電解質決定了電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性?！?
（圖片來源：阿貢官網(wǎng)）
對于當前的鋰離子電池來說，熱失控可能導致電池發(fā)生火災和爆炸?？紤]到這些危險因素，JCESR嘗試用固體電解質取代電池內部的液體有機電解質。少數(shù)固態(tài)電解質的離子電導率，與液態(tài)有機電解質一樣高，因此備受關注。同時，JCESR正在探索一種可以顯著加速離子擴散的現(xiàn)象：在固態(tài)電解質框架中，正常靜止的陰離子會發(fā)生旋轉運動，幫助驅動鋰陽離子。Nazar說：“事實上，組成固體框架的陰離子‘構建塊’并不是不動的，而是在經(jīng)歷旋轉運動。我們的研究表明，在固體框架內，陰離子動態(tài)原理能促進鋰離子移動。即使在室溫下，通過調整框架也可以“啟動”陰離子動態(tài)反應，并使其通過明輪效應與陽離子擴散強烈耦合。這有點類似于有多人通過的旋轉門?！?
雖然新型固體電解質的研究仍處于發(fā)展階段，但相關進展令人鼓舞。JCESR主管George Crabtree表示，這項突破顯著提高鋰離子電池的安全性和部署，或將改變游戲規(guī)則。Crabtree稱：“如果能找到一種固態(tài)電解質，保證鋰離子快速移動，它將替代液態(tài)有機電解質，并使電池立即擺脫熱失控反應，這是目前鋰離子電池起火的主要原因。單就安全優(yōu)勢而言，在手機、筆記本電腦、錄像機、汽車和電網(wǎng)等領域，這種電解質將會擁有廣闊的市場?！?
整個JCESR團隊都對固態(tài)電池充滿期待。密歇根大學和麻省理工學院的其他合作伙伴，也在探討固體電解質及“明輪效應”。Crabtree說，固態(tài)電池是工業(yè)上最有前途和最受歡迎的進步之一。Crabtree稱：“JCESR希望從原子和分子水平上了解電池行為的起源。有了這些知識，我們可以逐個原子、逐個分子地從頭開始構建電池，讓每個原子和分子都在構建目標電池過程中發(fā)揮指定的作用。明輪效應就是其中一個例子。此項研究處于固態(tài)電解質研究的前沿，我們想把這方面的知識應用到商業(yè)領域?！保▉碓矗荷w世汽車/作者：Elisha）
