日本首都大學(xué)東京（4月變更為東京都立大學(xué)）研發(fā)了一種為鋰金屬電池打造陶瓷柔性電解質(zhì)薄片的新方法。研究人員將石榴石型陶瓷、聚合物粘合劑和一種離子液體混合在一起，打造出一種類固態(tài)片狀電解質(zhì)。由于研究人員在室溫下進(jìn)行合成，因而與現(xiàn)有在高溫下（> 1000°C）進(jìn)行的工藝相比，該新方法的耗能大大降低。此外，該電解質(zhì)能夠在很大的溫度范圍內(nèi)工作，是一種前景非常好的電解質(zhì)，可用于電動汽車等設(shè)備的電池中。
（圖片來源：東京都立大學(xué)）
化石燃料滿足了全球大部分的能源需求，包括電力。不過，化石燃料正在被耗盡，而且燃燒化石燃料會導(dǎo)致二氧化碳和有毒氮氧化物等其他污染物直接排放到大氣中。全球都需要向更清潔的可再生能源進(jìn)行轉(zhuǎn)型，不過，風(fēng)能和太陽能的可再生能源往往是間歇性能源，因為風(fēng)不會一直吹，而晚上也沒有太陽。因此，需要研發(fā)先進(jìn)的能源存儲系統(tǒng)，更高效地利用此種間歇性可再生能源。自1991年，索尼公司實現(xiàn)鋰離子電池的商業(yè)化以來，此類電池就對現(xiàn)代社會造成了深遠(yuǎn)的影響，為多種便攜式電子產(chǎn)品和無繩吸塵器等家用電器提供動力。不過，電動汽車仍需要最先進(jìn)的鋰離子技術(shù)，而且電池的容量和安全性需要得到很大的改進(jìn)。
因此，很多科學(xué)家開始研究鋰金屬電池。因為從理論上看，鋰金屬陽極的容量比現(xiàn)有的商用石墨陽極的容量更高。不過，鋰金屬陽極仍存在技術(shù)障礙。例如，在液態(tài)電池中，可能會生長鋰枝晶，導(dǎo)致電池短路，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸。不過，固態(tài)無機(jī)電解質(zhì)就明顯更安全。而石榴石型（結(jié)構(gòu)形狀）陶瓷Li7La3Zr2O12，即LLZO，由于具備離子電導(dǎo)率高且能與鋰金屬兼容，被廣泛認(rèn)為是一種很有前景的固態(tài)電解質(zhì)材料。不過，生產(chǎn)高密度的LLZO電解質(zhì)需要高達(dá)1200 °C的燒結(jié)溫度，既浪費能源又耗時，因而很難大規(guī)模生產(chǎn)LLZO電解質(zhì)。此外，LLZO電解質(zhì)很脆，其與電極材料之間的物理接觸性能差，通常導(dǎo)致接觸界面電阻高，極大了限制了其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。
因此，東京都立大學(xué)的一個研究小組在Kiyoshi Kanamura教授的領(lǐng)導(dǎo)下，開始研發(fā)一種能夠在室溫下制作的柔性復(fù)合LLZO片狀電解質(zhì)。研究人員在薄薄的聚合物基材上澆上LLZO陶瓷泥漿，就像在吐司上涂上黃油一樣。然后，再放到真空爐中進(jìn)行干燥，之后，該款75微米厚的片狀電解質(zhì)會被浸泡到離子液體（IL）中，以提升其離子電導(dǎo)率。離子液體就是室溫下的液體鹽，眾所周知，其導(dǎo)電率高，而且?guī)缀醪灰兹?，也不揮發(fā)。在該片狀電解質(zhì)內(nèi)部，離子液體成功填補(bǔ)了結(jié)構(gòu)中的微小缺口，橋接了LLZO顆粒，為鋰離子形成一個有效通道；此外，還有效降低了陰極接觸界面的電阻。在進(jìn)一步研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中的鋰離子既在離子液體，也在LLZO顆粒中擴(kuò)散，因而離子液體和LLZO顆粒都突出發(fā)揮了作用。該合成法非常簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且整個過程都在室溫下進(jìn)行，無需高溫?zé)Y(jié)。
盡管仍存在一些挑戰(zhàn)，該研究小組表示，該柔性復(fù)合片狀電解質(zhì)所具備的機(jī)械魯棒性和可操作性使其能夠在更大的溫度范圍內(nèi)工作，也使其成為了鋰金屬電池的理想電解質(zhì)。新合成法非常簡單也意味著可能會比預(yù)想的時間更早看到此種高容量的鋰金屬電池上市。
