生產(chǎn)安全、高能量且價格低廉的固態(tài)鋰電池的競爭正在加速，最近有消息稱，在固態(tài)鋰電池中使用一種叫做石榴石的固態(tài)非易燃陶瓷電解質(zhì)進行的研究將具有革命性突破。

“這是能源儲存領(lǐng)域的一個范式轉(zhuǎn)變，”機械工程系助理教授KelseyHatzell說。一篇在3月份發(fā)表于theAmericanChemicalSociety'sEnergyLetters雜志的名為"TheEffectofPoreConnectivityonLiDendritePropagationWithinLLZOElectrolytesObservedwithSynchrotronX-rayTomography"的論文里，KelseyHatzell詳細描述了她對石榴石電解質(zhì)失效點的新研究，她的這篇文章也是本月ACS雜志上最熱門的文章之一。

鋰離子電池通常含有一種易燃的液態(tài)有機電解質(zhì)。通過使用不易燃的石榴石基電解質(zhì)可以有效消除火災(zāi)隱患。使用固體有機石榴石代替液體電解質(zhì)，不但能增加電池的使用壽命，同時可以大大的降低電池成本。

Hatzell說：“固態(tài)電池將是所有電動汽車和其他能源儲存和安全最為重要的應(yīng)用形式。”

Hatzell的團隊測試了Li7La3Zr2O12或者被稱為鋰鑭氧化鋯（LLZO）的一種石榴石類型的材料，由于其較高的鋰離子導電性和與鋰金屬的兼容性，它在全固態(tài)電池的應(yīng)用上顯示出巨大的前景。

Hatzell說道:“了解這些電解質(zhì)系統(tǒng)的失效機制對于設(shè)計彈性固體電解質(zhì)系統(tǒng)至關(guān)重要。LLZO的主要限制是其具有在低電流密度下易發(fā)生短路的傾向。”

Hatzell的研究使用了同步加速器X射線斷層掃描技術(shù)進行跟蹤實際充放電后LLZO的結(jié)構(gòu)變化。研究人員運用該技術(shù)可以查看電池內(nèi)部以及亞微米級分辨率的3D結(jié)構(gòu)特征。

在固體電解質(zhì)中成像鋰，大多數(shù)情況下是利用掃描電子顯微鏡或者光學顯微鏡技術(shù)進行破壞或原位成像的。“使用同步加速器工具將能夠提供更現(xiàn)實的條件，幫助我們能夠觀看埋藏的界面中的材料形貌，”Hatzell如此說道。論文的合著者是博士后學者申鳳玉（音）、研究生肖翔輝（音）和MarmDixit。

世界上只有為數(shù)不多的幾個同步加速器和中子源。Marm是入選2017年國家中子與x射線散射學院的60名研究生之一。Hatzell說:“作為這個項目的一部分，Marm在橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室分別呆了一個星期。”

阿貢國家實驗室的高級光子源和ORNL的散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)器用于對先進材料的相互作用進行納米級研究。Dixit能夠從技術(shù)領(lǐng)先的科學家和專家那里學習同步加速器表征技術(shù)。Hatzell的團隊在阿貢國家實驗室進行了所有的測試。

“結(jié)果表明，空隙或連通孔的存在導致更高的短路率，這一結(jié)果可能為下一代固態(tài)電池系統(tǒng)的材料設(shè)計提供信息。”Hatzell說。

“盡管仍需要大量研究才能夠?qū)⒐虘B(tài)電池推向市場，但它們在高能量密度電池和電動汽車應(yīng)用中的應(yīng)用前景已經(jīng)引起了全球的極大興趣。”