在新加坡國立大學(xué)研究人員的突破性發(fā)現(xiàn)之后，為電動汽車、手機(jī)和許多其他應(yīng)用提供動力的更安全、更環(huán)保、更便宜的可充電電池可能會更進(jìn)一步。

由助理教授Pieremanuele(Piero)Canepa(新加坡國立大學(xué)設(shè)計與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了一種新的鈉離子基固體電解質(zhì)組合物，可以實(shí)現(xiàn)超快電池充電和放電。

他們的研究最近發(fā)表在NatureCommunications上。

“傳統(tǒng)和廣泛使用的鋰離子電池受到安全問題的困擾，特別是由于它們所含的液體電解質(zhì)的高度可燃性，”卡內(nèi)帕助理教授說。

“挑戰(zhàn)在于尋找更安全的固態(tài)替代品，在充電速度、壽命和潛在充電容量方面具有競爭力。”

更安全的高容量電池

研究人員普遍認(rèn)為，使用不易燃的陶瓷材料(稱為固體電解質(zhì))來制造全固態(tài)電池是提供滿足低碳未來能源需求所需的更安全、高容量電池的最佳前景。

困難在于開發(fā)能夠提供與商用鋰離子電池的易燃液體電解質(zhì)競爭的性能的陶瓷材料的正確成分。

新加坡國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型固態(tài)組合物使用了一類稱為NASICON(或鈉超離子導(dǎo)體)的固體電解質(zhì)，大約在40年前由2019年諾貝爾化學(xué)獎獲得者Hong和Goodenough首次發(fā)現(xiàn)。

除了更安全之外，通過使用鈉而不是鋰，電池還具有更便宜和更容易生產(chǎn)的額外好處。

“世界上大部分鋰本身就是一種相當(dāng)稀有的元素，僅來自少數(shù)幾個地方——主要是智利、玻利維亞和澳大利亞，”卡內(nèi)帕副教授說。“然而，使用依賴鈉的電池效率更高，因?yàn)殁c可以輕松甚至清潔地提取-即使在新加坡這樣的小地方也是如此。”

先進(jìn)的方法

Canepa助理教授團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)是使用自下而上的方法進(jìn)行的，該方法首先使用同一團(tuán)隊(duì)開發(fā)的高性能超級計算機(jī)和新算法開發(fā)了NASICON陶瓷成分的理論原子尺度模型。

然后，法國亞眠CNRS實(shí)驗(yàn)室deRéactivitéetChimiedesSolides的Masquelier教授團(tuán)隊(duì)對設(shè)計的成分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)合成、表征和測試。然后在新加坡國立大學(xué)和德國于利希的能源與氣候研究所測量了新NASICON組合物中離子運(yùn)動的速度。

“我們使用的方法使研究人員能夠加速新固體電解質(zhì)的開發(fā)和優(yōu)化的開發(fā)和優(yōu)化，這對于實(shí)現(xiàn)更安全的高功率密度電池至關(guān)重要，”Canepa助理教授說。

“我們相信，這種先進(jìn)的方法對于開發(fā)下一代清潔能源存儲技術(shù)至關(guān)重要。”

該團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行的下一階段研究將重點(diǎn)開發(fā)使用NASICON陶瓷的全尺寸固態(tài)電池，并展示其充放電性能。

Canepa助理教授領(lǐng)導(dǎo)著新加坡國立大學(xué)的Canepa研究實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室利用超級計算機(jī)的強(qiáng)大功能和先進(jìn)的模擬算法來突破清潔能源轉(zhuǎn)換和存儲的界限。

Canepa實(shí)驗(yàn)室對全固態(tài)電池的研究

在一項(xiàng)相關(guān)研究中，Canepa實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了全固態(tài)電池開發(fā)中的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：堿金屬陽極和固體電解質(zhì)之間的界面，該界面通常不穩(wěn)定并且是電池故障的根源.

該界面的穩(wěn)定性取決于在邊界處形成的化學(xué)性質(zhì)不同的中間層(稱為固體電解質(zhì)界面)的性質(zhì)。

在他們最近發(fā)表在PRXEnergy雜志上的研究中，由研究員YuhengLi領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究了鋰金屬負(fù)極和眾所周知的固體電解質(zhì)之間的電池界面，在該界面形成了一個自限性和穩(wěn)定的界面。

為了了解這種穩(wěn)定性的起源，作者使用原子級模擬來模擬界面的電子電導(dǎo)率。他們發(fā)現(xiàn)界面是電子絕緣的，因此會阻止其自身的逐漸形成并穩(wěn)定界面。

該團(tuán)隊(duì)表示，他們的發(fā)現(xiàn)為穩(wěn)定的電池接口提供了設(shè)計指南，有助于加速安全和高性能全固態(tài)電池的商業(yè)化。