由美国能源部橡树岭国家实验室领导的科学家们正在利用一种聚合物制造一种坚固而富有弹性的薄膜，从而加速下一代固态电池的问世。 这项工作推动了由柔韧耐用的固态电解质薄膜驱动的电动汽车动力的发展。
这些薄片可用于规模化生产未来具有更高能量密度电极的固态电池。 通过分离负极和正极，它们可以防止危险的电短路，同时为离子运动提供高导通路。 与目前使用液态电解质的电池相比，这些成就预示着更高的安全性、性能和能量密度，因为液态电解质易燃、化学反应剧烈、热不稳定且容易泄漏。"我们的成就至少可以将能量存储翻一番，达到每公斤500瓦时，"ORNL的杨光说。 "开发 30 微米或更薄的固态电解质膜的主要动机是将更多能量装入锂离子电池，这样你的电动汽车、笔记本电脑和手机在需要充电之前就能运行更长时间。" 这项发表在 ACS Energy Letters 上的工作改进了 ORNL 之前的一项发明，优化了用于硫化物固态电解质的聚合物粘合剂。 这项工作是正在进行的制定材料选择和加工协议工作的一部分。
这项研究的目标是找到 "黄金分割点"--薄膜厚度恰好能同时支持离子传导和结构强度。 目前的固态电解质使用能传导离子的塑料聚合物，但其传导性远低于液态电解质。 硫化物固态电解质的离子传导性与目前锂离子电池中使用的液态电解质相当。 研究人员发现，聚合物粘合剂的分子量对于制作耐用的固态电解质薄膜至关重要。 使用聚合物链较短的轻型粘合剂制成的薄膜缺乏与电解材料保持接触的强度。 相比之下，使用聚合物链较长的重型粘合剂制成的薄膜具有更高的结构完整性。 此外，制作良好的离子导电薄膜所需的长链粘合剂更少。
研究人员希望尽量减少聚合物粘合剂，因为它不会传导离子。 粘合剂的唯一作用是将电解质颗粒锁定在薄膜中。 使用更多的粘合剂可以提高薄膜的质量，但会降低离子传导性。 反之，使用较少的粘合剂会增强离子传导，但却会影响薄膜质量。杨教授与 SLAC 斯坦福电池中心执行主任、巴特尔杰出发明家 Jagjit Nanda 合作，设计了该研究的实验并监督了该项目。 杨教授最近被能源部高级研究计划局认定为有可能成功将创新想法转化为有影响力技术的科学家。 Anna Mills曾是佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院的研究生，主要研究纳米材料合成。 她使用电化学阻抗光谱对薄膜进行了测试，并对临界电流密度进行了测量。
原文链接: Anna Mills et al, Elucidating Polymer Binder Entanglement in Freestanding Sulfide Solid-State Electrolyte Membranes, ACS Energy Letters (2024). DOI: 10.1021/acsenergylett.3c02813
