解锁更安全的电池：阿贡实验室揭示全固态电池电解质材料

锂离子电池广泛用于为各种设备供电，包括手机、笔记本电脑和电动汽车等。据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）团队对全固态电池的固体电解质进行了研究。这些研究成果有助于开发更安全、更节能的电池技术。

（图片来源：阿贡实验室）

电解质就像膜一样，允许锂离子在电池阴极和阳极之间传输。与使用液体电解质的传统锂离子电池不同，全固态电池采用固体电解质。这些材料既不挥发也不易燃，有助于开发能量密度更高、寿命更长、更安全的电池。固体电解质与锂金属的反应性也较低，因此比液体电解质更适合锂金属电极。与传统石墨电极材料相比，锂金属的能量密度更高，因为锂金属中的所有原子都可以参与充放电循环。

作为一种富有前景的固体电解质，锂镧锆石榴石（LLZO）具有稳定性、耐久性和高离子电导率，有助于在电极之间实现高效锂离子传输。为了改善LLZO的性能，研究人员一直尝试添加少量元素（如铝或镓），以提高LLZO传导锂离子的能力，增强电导率。这个过程被称为掺杂，其中涉及加入少量的另一种元素来改变材料的性质。掺杂铝或镓有助于LLZO保持最对称的结构，并产生有利于锂离子移动的空隙，从而提高导电性。然而，这种掺杂行为也会增加LLZO与锂金属的反应性，从而缩短电池的循环寿命。

在这项研究中，研究人员检测含铝或镓掺杂剂的LLZO与金属锂接触时会发生什么。他们利用计算和实验技术发现，镓往往更容易从电解质中移出，更容易与锂反应形成合金，从而导致LLZO中的镓含量减少。这会改变锂石榴石的结构，并降低离子电导率。相比之下，掺杂铝的LLZO可以保持更稳定的状态。

掺杂镓LLZO的离子电导率比掺杂铝的LLZO更高。但其与锂接触时具有反应性，这表明需要一个界面层来保持其电导率，同时防止发生降解。

阿贡国家实验室首席研究员、物理学家Peter Zapol表示：“这些发现深入了解不同掺杂剂如何影响LLZO的性能和稳定性，为开发更可靠的固态电池提供了参考。了解掺杂剂如何与锂发生反应非常重要，除了高导电性，这是实现良好电解质的另一个要求。”

阿贡国家实验室首席实验师、化学家Sanja Tepavcevic表示：“如果掺杂剂不稳定，则不足以增强导电性。如果可以将反应性和导电性分开，或者开发一种既具有高导电性又具有稳定性的材料，这基本上就是我们试图通过这项工作展示的东西。”