科学家发现新型固体材料 有望取代电池中的易燃液体电解质

新型固体电解质提高电池的能量密度和安全性。

据外媒报道，斯坦福大学（Stanford University）的科学家发现了一种新型固体材料，可以替代锂离子电池中的易燃液体电解质。据介绍，这种由锂、硼和硫制成的低成本材料，可以提高电动汽车、笔记本电脑等电池驱动设备的安全性和性能。

（图片来源： 斯坦福大学）

“典型的锂离子电池拥有两个固体电极，中间是高度易燃的液体电解质，”主要研究人员、斯坦福大学材料科学与工程系的访问学者Austin Sendek表示，“我们的目标是设计稳定、低成本的固态电解质，同时增加电池的功率和能量输出。”

有前景的材料

在电池充放电过程中，锂离子通过电解质在正负极之间穿梭。大多数锂离子电池使用的是液体电解质，如果电池被击穿或短路，电解质就会燃烧。与之相反，固体电解质很少着火，而且可能更有效。

“固体电解质更安全、更持久、能量密度更高，有望成为液体电解质的替代品。”主要研究人员、材料科学与工程系副教授Evan Reed称，“然而，要发现适用于固体电解质的合适材料，仍然是巨大的工程挑战。”

目前使用的大多数固体电解质都非常不稳定、效率低、价格昂贵，不具有商业可行性。Sendek说：“传统固体电解质无法像液体电解质那样，传导那么多的离子电流。一旦与电池电极接触，通常情况下，它们会发生降解。”

机器学习

2016年，为了找到可靠的固体电解质，Sendek及其同事训练了一种计算机算法，筛选材料数据库中的12000多种含锂化合物。该算法在几分钟之内就识别出了大约20种有前景的材料，其中包括四种少见的由锂、硼和硫组成的化合物。

在目前的研究中，研究人员利用一种名为密度泛函理论的技术，对这四种化合物进行了更仔细的观察，这种技术可以模拟材料在原子层面上的行为。

结果喜人

当前研究表明，锂－硼－硫电解质的稳定性大约是主流固体电解质的两倍。在电动汽车中，这意味着续航里程可能更长，因为电池的稳定性会影响其单位重量可以存储的能量，即能量密度。

Sendek 称：“特斯拉和其它电动汽车一次充电可以行驶250至300英里。但是，如果使用固体电解质，则有可能使锂离子电池的能量密度增加一倍，并使该续航里程超过500英里，甚至可以开始考虑电动飞行。”

从化学意义上来说，常规固体电解质发生降解时，会从良导体转化为不良导体，导致电池停止工作。研究预测，当混合在一起时，这四种锂－硼－硫化合物即使分解，也能继续起作用。Sendek 指出：“这四种化合物在化学上都是相似的。因此，当混合物分解时，每种化合物都可能从一种良导体转变为另一种良导体。因此，这些材料可以经受数次降解循环，才分解成不良导体，最终导致电池失效。”

研究还预测，在传导锂离子方面，比起用昂贵的锗制造的固态电解质，锂－硼－硫材料的某些相可能要超出三倍。Sendek表示：“如果获得良好的离子电导率，则可以使更多的电流从电池中流出，从而得到更大的动力来为汽车加速。”

目前某些最好的固体电解质是用稀有元素制成的，例如锗，一公斤的价格约为500美元。而锂、硼和硫是储量丰富的化学物质，价格为每公斤26美元。

金属锂

发现一种可行的固态电解质，也将促进锂金属电池的发展。这种电池能量密度高、重量轻，是电动汽车的理想选择。

大多数锂离子电池采用的是石墨负极，而在锂金属电池中，石墨被金属锂取代，每公斤金属锂可以存储更多的电量。“锂金属堪称是电池研究的圣杯，”Sendek说，“但是，在运行过程中，锂金属电极有可能会发生内部短路，液体电解质对此无能为力。固体电解质似乎是我们克服这个问题的绝佳机会，其中锂－硼－硫电解质是很有前景的候选者。”

研究路线图

此项研究为今后的研究提供了理论路线图，下一步是合成四种锂－硼－硫材料，并在电池中进行测试。“在实验室里制作这些材料可能相当困难，”Sendek说，“作为理论学家，我们的工作是给实验人员指出有希望的材料，让他们看到这些材料在真实设备中是如何表现的。”

Reed补充，通过人工智能和机器学习，从成千上万的候选材料中识别出这些有前途的材料，已经证明是可行的。他说：“到目前为止，大多数新材料的发现，都是通过反复的实验来摸索完成的。我们的研究结果表示，机器学习方法在材料化学中取得了成功，这令人兴奋。”