近年来，锂离子电池的日益普及，给世界钴和镍供应带来了压力 - 这两种金属是目前电池设计中不可或缺的一部分 - 并导致价格飙升。
为了开发锂基电池的替代设计，减少对稀有金属的依赖，佐治亚理工学院的研究人员开发了一种有前景的新型阴极和电解质系统，用低成本的过渡金属氟化物代替昂贵的金属和传统的液体电解质和固体聚合物电解质。
“由过渡金属氟化物制成的电极长期存在稳定性问题和快速失效，导致人们对它们用于下一代电池的能力产生了极大的怀疑，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授Gleb Yushin说。 “但我们已经证明，当与固体聚合物电解质一起使用时，金属氟化物显示出非凡的稳定性 - 即使在更高的温度下 - 这最终会导致更安全，更轻和更便宜的锂离子电池。”
在典型的锂离子电池中，在两个电极（阳极和阴极）之间的锂离子转移期间释放能量，阴极通常包含锂和过渡金属，例如钴，镍和锰。离子通过液体电解质在电极之间流动。
该研究于9月9日在“自然材料”杂志上发表，由陆军研究办公室赞助，该研究小组用氟化铁活性材料和固体聚合物电解质纳米复合材料制造了一种新型阴极。氟化铁的锂容量是传统钴基或镍基阴极的两倍多。此外，铁比钴便宜300倍，比镍便宜150倍。
为了生产这种阴极，研究人员开发了一种将固体聚合物电解质渗透到预制氟化铁电极中的方法。然后他们热压整个结构以增加密度并减少任何空隙。
聚合物基电解质的两个中心特征是其在循环时弯曲和适应氟化铁溶胀的能力以及其与氟化铁形成非常稳定和柔性的界面的能力。传统上，在先前的电池设计中使用氟化铁的膨胀和大量副反应是关键问题。
“由氟化铁制成的阴极具有巨大的潜力，因为它们具有高容量，低材料成本和非常广泛的铁供应，”Yushin说。 “但循环过程中的体积变化以及液体电解质的寄生副反应和其他降解问题限制了它们之前的使用。使用具有弹性的固体电解质可以解决许多这些问题。”
研究人员随后测试了新型固态电池的几种变体，以分析它们在122华氏度的高温下超过300次充电和放电循环的性能，并指出它们在使用金属氟化物时表现优于以前的设计，即使它们保持冷却室温。
研究人员发现，增强电池性能的关键是固体聚合物电解质。在先前使用金属氟化物的尝试中，据信金属离子迁移到阴极表面并最终溶解到液体电解质中，导致容量损失，特别是在升高的温度下。此外，当细胞在高于100华氏度的温度下操作时，金属氟化物催化液体电解质的大量分解。然而，研究人员写道，在固体电解质和阴极之间的连接处，这种溶解不会发生，固体电解质保持非常稳定，可以防止这种降解。
“我们使用的聚合物电解质非常普遍，但许多其他固体电解质和其他电池或电极结构 - 例如核 - 壳颗粒形态 - 应该能够同样显着地减轻甚至完全防止寄生副反应并获得稳定的性能特征，“Yushin实验室的研究科学家Kostiantyn Turcheniuk说，他是该手稿的合着者。
未来，研究人员的目标是开发新的和改进的固体电解质，以实现快速充电，并在新设计中结合固体和液体电解质，与大型电池工厂中使用的传统电池制造技术完全兼容。
——文章发布于2019年9月9日
