近年來，鋰離子電池的日益普及，給世界鈷和鎳供應帶來了壓力 - 這兩種金屬是目前電池設計中不可或缺的一部分 - 並導致價格飆升。
為了開發鋰基電池的替代設計，減少對稀有金屬的依賴，佐治亞理工學院的研究人員開發了一種有前景的新型陰極和電解質系統，用低成本的過渡金屬氟化物代替昂貴的金屬和傳統的液體電解質和固體聚合物電解質。
“由過渡金屬氟化物製成的電極長期存在穩定性問題和快速失效，導致人們對它們用於下一代電池的能力產生了極大的懷疑，”佐治亞理工學院材料科學與工程學院教授Gleb Yushin說。 “但我們已經證明，當與固體聚合物電解質一起使用時，金屬氟化物顯示出非凡的穩定性 - 即使在更高的溫度下 - 這最終會導致更安全，更輕和更便宜的鋰離子電池。”
在典型的鋰離子電池中，在兩個電極（陽極和陰極）之間的鋰離子轉移期間釋放能量，陰極通常包含鋰和過渡金屬，例如鈷，鎳和錳。離子通過液體電解質在電極之間流動。
該研究於9月9日在“自然材料”雜誌上發表，由陸軍研究辦公室贊助，該研究小組用氟化鐵活性材料和固體聚合物電解質納米複合材料製造了一種新型陰極。氟化鐵的鋰容量是傳統鈷基或鎳基陰極的兩倍多。此外，鐵比鈷便宜300倍，比鎳便宜150倍。
為了生產這種陰極，研究人員開發了一種將固體聚合物電解質滲透到預製氟化鐵電極中的方法。然後他們熱壓整個結構以增加密度並減少任何空隙。
聚合物基電解質的兩個中心特徵是其在循環時彎曲和適應氟化鐵溶脹的能力以及其與氟化鐵形成非常穩定和柔性的界面的能力。傳統上，在先前的電池設計中使用氟化鐵的膨脹和大量副反應是關鍵問題。
“由氟化鐵製成的陰極具有巨大的潛力，因為它們具有高容量，低材料成本和非常廣泛的鐵供應，”Yushin說。 “但循環過程中的體積變化以及液體電解質的寄生副反應和其他降解問題限制了它們之前的使用。使用具有彈性的固體電解質可以解決許多這些問題。”
研究人員隨後測試了新型固態電池的幾種變體，以分析它們在122華氏度的高溫下超過300次充電和放電循環的性能，並指出它們在使用金屬氟化物時表現優於以前的設計，即使它們保持冷卻室溫。
研究人員發現，增強電池性能的關鍵是固體聚合物電解質。在先前使用金屬氟化物的嘗試中，據信金屬離子遷移到陰極表面並最終溶解到液體電解質中，導致容量損失，特別是在升高的溫度下。此外，當細胞在高於100華氏度的溫度下操作時，金屬氟化物催化液體電解質的大量分解。然而，研究人員寫道，在固體電解質和陰極之間的連接處，這種溶解不會發生，固體電解質保持非常穩定，可以防止這種降解。
“我們使用的聚合物電解質非常普遍，但許多其他固體電解質和其他電池或電極結構 - 例如核 - 殼顆粒形態 - 應該能夠同樣顯著地減輕甚至完全防止寄生副反應並獲得穩定的性能特徵，“Yushin實驗室的研究科學家Kostiantyn Turcheniuk說，他是該手稿的合著者。
未來，研究人員的目標是開發新的和改進的固體電解質，以實現快速充電，並在新設計中結合固體和液體電解質，與大型電池工廠中使用的傳統電池製造技術完全兼容。
