佐治亞理工學(xué)院與韓國科學(xué)技術(shù)院合作開發(fā)具有高離子電導(dǎo)率的橡膠聚合物電解質(zhì)

彈性體或合成橡膠因具有優(yōu)越的機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品和先進(jìn)可穿戴電子設(shè)備和柔性機(jī)器人。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種材料被制成三維(3D)結(jié)構(gòu)時(shí)，它就像高速公路一樣，可以快速傳輸鋰離子，且具有超強(qiáng)的機(jī)械韌性，從而使電池充電時(shí)間更長，行駛里程更長。佐治亞理工學(xué)院與韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)合作進(jìn)行的這項(xiàng)研究成果于2022年1月3日發(fā)表于《Nature》雜志。

在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，離子是通過液體電解質(zhì)傳輸?shù)?。由于電池本身不穩(wěn)定，即使是最輕微的損壞也會(huì)造成電解液滲漏，導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)。安全隱患迫使電池行業(yè)轉(zhuǎn)向固態(tài)電池，這種電池可以采用無機(jī)陶瓷材料或有機(jī)聚合物制成。

佐治亞伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院的副教授Seung Woo Lee表示，大多數(shù)企業(yè)關(guān)注無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，但它們很難制造，價(jià)格很高，且不環(huán)保。他所在的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種橡膠基有機(jī)聚合物，其性能優(yōu)于其他材料。固態(tài)聚合物電解質(zhì)因其生產(chǎn)成本低、無毒、柔軟等特性持續(xù)受到人們的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)性和機(jī)械穩(wěn)定性差，固態(tài)電池?zé)o法可靠運(yùn)行。創(chuàng)新的3D設(shè)計(jì)帶來能量密度和性能大幅度提升，佐治亞理工學(xué)院的工程師們利用橡膠電解質(zhì)解決了常見的問題(鋰離子傳輸速率低和機(jī)械性能差)。

突破的關(guān)鍵是在堅(jiān)固的橡膠基體內(nèi)形成3D相互連接的塑料晶體。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)具有高離子電導(dǎo)率、優(yōu)越的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。這種橡膠電解質(zhì)可以在低溫條件下通過簡單的聚合過程制成，在電極表面形成堅(jiān)固而光滑的界面。橡膠電解質(zhì)的這些特性阻止了鋰枝晶生長，離子傳輸更快，即使在室溫下固態(tài)電池也能可靠運(yùn)行。研究人員現(xiàn)在正在尋找提高循環(huán)壽命來提高電池性能的方法，通過更好的離子導(dǎo)電性來減少充電時(shí)間。到目前為止，經(jīng)過努力，電池的性能/循環(huán)壽命提高了兩倍。