彻底改变储能：固体电解质锂电池提供安全性、容量和速度

安德鲁·科塞利

艺术家对银原子薄涂层和表面下方的一些银原子的渲染，保护固体电解质的晶体结构免受机械压力的影响。 （图片来源：赵朝阳）

从理论上讲，电池相对电极之间的固体（而不是液体）电解质应该使可充电锂金属电池比当今市售的锂离子电池更安全，可容纳更多能量，并且充电速度要快得多。几十年来，科学家和工程师探索了多种途径来实现锂金属电池的巨大前景。正在研究的固体结晶电解质的一个主要问题是形成微观裂纹，这些裂纹在使用过程中不断生长，直至电池失效。

斯坦福大学的研究人员基于三年前发表的研究结果，确定了这些微小缺陷是如何形成和扩展的，他们发现，对固体电解质表面上的极薄银涂层进行退火似乎可以在很大程度上解决这个问题。正如《自然材料》中报道的那样 ，该涂层使电解质表面增韧五倍，以防止因机械压力而破裂。它还使得现有缺陷更不易受到锂钻入内部的影响，尤其是在快速充电过程中，这会将纳米裂缝变成纳米裂缝，最终使电池变得无用。

“我们和其他人正在努力改进的固体电解质是一种陶瓷，可以让锂离子轻松地来回穿梭，但它很脆，”机械工程副教授、资深作者 Wendy Gu 说。 “在一个令人难以置信的小规模上，它与你家里的陶瓷盘子或碗没有什么不同，表面上有微小的裂缝。”

“现实世界中的固态电池是由堆叠的阴极-电解质-阳极片层制成的。制造这些电池而没有哪怕是最微小的缺陷几乎是不可能的，而且非常昂贵，”顾说。 “我们认为保护表面可能更真实，只要一点点银似乎就可以起到很好的作用。”

其他科学家之前的研究调查了在相同的固体电解质材料上使用金属银涂层的情况，该材料因锂、镧、锆原子以及氧的混合物而被称为“LLZO”，当前的研究就是使用这种材料进行的。早期的研究使用金属银来提高电池性能，而新的研究则使用失去电子的溶解形式的银（Ag+）。这种溶解的带电银——与金属固体银不同——直接负责硬化陶瓷以防止裂纹形成。

研究人员在 LLZO 表面沉积了一层 3 纳米厚的银层，然后将样品加热至 300 °C (572 °F)。在加热过程中，银原子扩散到电解质表面，与更小的锂原子交换位置，深度为 20 至 50 纳米。银仍然是带正电的离子，而不是金属银，科学家认为这是防止裂纹形成的关键。在存在缺陷的地方，一些银离子的存在也可以防止锂侵入电解质并在电解质内部生长破坏性分支。

“我们的研究表明，纳米级银掺杂可以从根本上改变电解质表面裂纹的产生和传播方式，为下一代储能技术生产耐用、抗故障的固体电解质，”当时的研究负责人、现为亚利桑那州立大学工程系助理教授徐鑫说道。

这是独家技术简介 采访徐，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：您在涂层退火过程中遇到的最大技术挑战是什么？

徐 ：在回答之前，我想澄清一下，我们绝对不是第一个考虑白银的群体。银涂层在固态电池中的使用已经有几年了，主要作为锂金属和固体电解质之间的中间层。显然，它们确实运作良好。但我们的想法略有不同。我们开始将银视为一种神奇元素。它很大并且高度极化。

这意味着银臂非常灵活，可以将材料挤压到小离子无法挤压的地方。我们的假设非常简单：如果银可以将电解质扩散或挤压到电池中，它可能会产生压应力，并且实际上可以使材料变韧。这将使材料更耐开裂。

当我们第一次有了这个想法时，我们想，‘这有多难？只要把银子放在那里就可以了。’事实证明，这太难了。最大的技术挑战是：固体电解质对空气极其敏感。水分与二氧化碳发生反应，也会在表面形成污染层。即使在实验室，这种情况也很容易发生。一旦电解质表面形成这种污染，银就无法达到我们想要的效果。

我们最终意识到表面清洁度就是一切。因此，如果我们创造一个超洁净的表面，银就可以扩散到电解质材料中，并产生我们想要的压应力。从那时起，我们对实验室环境控制变得非常痴迷。我们从样品制备开始，从涂层表征到测试。每一步都在严格控制的无空气条件下完成。我们甚至专门为这个项目设计了一个非常独特的定制、无空气转运容器。我们甚至在亚马逊上出售它。一旦我们这样做了，结果就非常清楚了。非常令人兴奋。

技术简介 ：您对未来的工作有什么计划吗？

徐 ：对于接下来的步骤，我们确实有几件事要考虑。首先，我认为这可能是我最喜欢的部分，我们想尝试其他元素。这些结果表明离子大小是一个关键因素。如果这是真的，那么银并不特别，因为它是银；它是银的。它很特别，因为它很大。这意味着更便宜但大的元件也可以发挥作用。例如，钠、钾或铜。事实上，我们已经在铜方面取得了一些非常有希望的结果。