在不增加重量或體積的情況下將更多能量裝入電池的無盡探索中，一項特別有前途的技術是固態(tài)電池。在這些電池中，通常在電極之間來回攜帶電荷的液體電解質被固體電解質層所取代。這種電池不僅可以提供兩倍于其尺寸的能量，還可以從根本上消除與當今鋰離子電池相關的火災危險。

但有一件事阻礙了固態(tài)電池：固態(tài)電解質層和兩側的兩個電極之間的邊界不穩(wěn)定性會大大縮短此類電池的壽命。一些研究使用特殊涂層來改善層之間的結合，但這增加了制造過程中額外涂層步驟的費用?，F在，麻省理工學院和布魯克海文國家實驗室的一組研究人員提出了一種方法，可以達到等于或超過涂層表面耐久性的結果，但不需要任何涂層。

新方法只需要在關鍵制造步驟(稱為燒結)中消除任何二氧化碳，在該步驟中，電池材料被加熱以在由陶瓷化合物制成的陰極和電解質層之間形成粘合。盡管空氣中二氧化碳的含量微乎其微，以百萬分之幾來衡量，但它的影響卻是巨大的和有害的。研究人員說，在純氧中進行燒結步驟可以產生與最佳涂層表面性能相匹配的鍵合，而無需額外的涂層成本。

麻省理工學院博士生 Younggyu Kim、核科學與工程教授、材料科學與工程教授 Bilge Yildiz 以及布魯克海文國家實驗室的 Iradikanari Waluyo 和 Adrian Hunt發(fā)表了《先進能源材料》雜志上的研究結果。

“長期以來，出于不同的原因，固態(tài)電池一直很受歡迎，”Yildiz 說。她說：“固體電池的關鍵動力在于它們更安全且具有更高的能量密度”，但由于兩個因素阻礙了它們的大規(guī)模商業(yè)化：固體電解質的較低導電率和界面不穩(wěn)定性問題。

Yildiz 表示，導電性問題已得到有效解決，并且已經證明了合理的高導電性材料。但克服界面上出現的不穩(wěn)定性更具挑戰(zhàn)性。這些不穩(wěn)定性可能在此類電池的制造和電化學操作過程中發(fā)生，但目前研究人員專注于制造，特別是燒結過程。

需要燒結是因為如果陶瓷層簡單地相互壓在一起，它們之間的接觸就很不理想，間隙太多，電阻也很大?？缃缑娓?。陶瓷材料的燒結通常在 1,000 攝氏度或更高的溫度下進行，這會導致每種材料中的原子遷移到另一種材料中以形成鍵。該團隊的實驗表明，在任何高于幾百度的溫度下，都會發(fā)生有害反應，從而增加界面處的電阻——但前提是存在二氧化碳，即使是微量的二氧化碳。他們證明，避免二氧化碳，特別是在燒結過程中保持純氧氣氛，可以在高達 700 度的溫度下產生非常好的粘合，而不會形成任何有害化合物。

Yildiz 說，使用這種方法制成的陰極-電解質界面的性能“與我們在文獻中看到的最佳界面電阻相當”，但這些都是通過額外的涂層步驟實現的。“我們發(fā)現你可以避免額外的制造步驟，這通常是昂貴的。”

固態(tài)電池提供的能量密度的潛在收益來自于它們能夠使用純鋰金屬作為電極之一，這比目前使用的由注入鋰的石墨制成的電極輕得多。

該團隊現在正在研究這種電池的下一部分性能，即這些鍵在電池循環(huán)期間如何長期保持。同時，新發(fā)現可能會迅速應用于電池生產，她說。“我們提出的是一個相對簡單的電池制造過程。它不會給制造增加太多能量損失。因此，我們相信它可以相對容易地用于制造過程，”以及增加的成本，他們計算過，應該可以忽略不計。

豐田等大公司已經在努力將早期版本的固態(tài)鋰離子電池商業(yè)化，這些新發(fā)現可以迅速幫助這些公司提高該技術的經濟性和耐用性。