鋰離子電池設(shè)計(jì)上的突破可能會(huì)導(dǎo)致下一代更安全、更可靠的固態(tài)動(dòng)力電池。世界各地都在使用鋰離子電池為日常技術(shù)提供動(dòng)力，包括電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、手機(jī)和筆記本電腦。

然而，不穩(wěn)定和易燃的電解質(zhì)，以及由此產(chǎn)生的界面，使這項(xiàng)技術(shù)的擴(kuò)大具有挑戰(zhàn)性。

本周發(fā)表在《自然通訊》上的一篇新論文展示了如何設(shè)計(jì)新的固態(tài)材料來克服這些問題。鎢基和碲基雙鈣鈦礦材料可以組合使用，分別用作電極和電解液，形成更加兼容和穩(wěn)定的界面。

PoojaGoddard博士和前拉夫堡化學(xué)同事StephenYeandel博士（現(xiàn)就職于謝菲爾德）是EPSRCSUPERGEN財(cái)團(tuán)的一員，該財(cái)團(tuán)支持謝菲爾德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究，包括ISIS脈沖中子和μ介子源以及法拉第研究所哈維爾校區(qū)。

拉夫堡研究小組利用計(jì)算模型闡明了這兩種屬于同一晶體家族的材料的氧化還原特性，并表明，雖然鎢可以輕易改變理想的電極氧化狀態(tài)，但碲對(duì)適用于電解液的氧化還原循環(huán)具有抵抗力。

這些結(jié)果已被謝菲爾德和伊希斯中子設(shè)施的實(shí)驗(yàn)小組證實(shí)。

由于這兩種材料來自同一類鈣鈦礦，它們的相容性大大提高，這使得制造下一代鋰離子固態(tài)電池成為可能。

戈達(dá)德博士說：“我們明確地展示了鋰離子在每種材料中的排列順序和局部結(jié)構(gòu)的演變。

“更重要的是，我們展示了從W6+W5+W4+開始的明確的逐步變化，而對(duì)于Te類似物，我們發(fā)現(xiàn)Te6+不愿意形成Te5+，這表明Te類似物的氧化還原循環(huán)不太可能，這也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。”

該項(xiàng)目的下一階段將包括進(jìn)一步調(diào)整材料，使之與界面相匹配，并專注于材料的可擴(kuò)展性，以實(shí)現(xiàn)可行的制造，謝菲爾德大學(xué)已經(jīng)在進(jìn)行研究。

三維虛擬的固態(tài)電池

全固態(tài)鋰電池（ASSLB）是一種在研究界迅速崛起的替代品。與鋰離子電池不同，鋰離子電池的電極是固體的，電解液是液態(tài)的，在ASSLB中，電極和電解液都是固體，它們非常安全。然而，正是這種特性帶來了一個(gè)問題：在運(yùn)行過程中，電解液和電極的體積會(huì)發(fā)生變化，特別是在高能蓄電池中。這可能導(dǎo)致其表面分離，從而導(dǎo)致性能不佳。

如果要開發(fā)高性能ASSLB，則需要詳細(xì)檢查接口處的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；大邱慶英科技研究所（DGIST）的李永民教授認(rèn)為：“雖然大多數(shù)研究人員都專注于開發(fā)新材料或改善現(xiàn)有全固態(tài)鋰電池的性能，我們選擇了一個(gè)不同的路線，并決定尋找解決方案，以盡量減少電極和電池的設(shè)計(jì)缺陷。這讓我們不禁要問，“有沒有一種方法可以定量分析這些電池的缺陷？”

李教授和他的團(tuán)隊(duì)找到了他們問題的答案，他們想出了一種巧妙的技術(shù)：一種三維數(shù)字孿生平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，固體-固體界面的微觀結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)為真實(shí)物體的詳細(xì)三維復(fù)制品。他們的研究細(xì)節(jié)發(fā)表在愛思唯爾的《納米能源》雜志上。

利用這個(gè)平臺(tái)，李教授和他的團(tuán)隊(duì)探索了氧化物基ASSLB的電極-電解質(zhì)界面，可以說是最有前途的ASSLB。他們拍攝了選定目標(biāo)區(qū)域的二維圖像切片，對(duì)圖像進(jìn)行排序，以數(shù)字方式重建三維結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。正如預(yù)期的那樣，他們發(fā)現(xiàn)ASSLB的比接觸面積遠(yuǎn)小于鋰離子電池。這驗(yàn)證了他們方法的有效性。

李教授對(duì)這些結(jié)果感到興奮，他解釋了這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力：“鑒于這項(xiàng)技術(shù)的廣泛適用性，我們確信它的好處可以擴(kuò)展到所有含有電極的設(shè)備上。但目前，我們有信心，我們的技術(shù)將幫助研究人員節(jié)省時(shí)間和資金，同時(shí)在電池制造過程中輕松檢查缺陷，幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終加快所有固態(tài)電池的商業(yè)化。”