解鎖更安全電池：研究揭開全固態電池電解質材料的關鍵洞見

鋰離子電池從手機、筆電到電動車，為我們眾多依賴的裝置提供動力。鑒於這項技術在現代世界扮演的重要角色，科學家們持續努力開發更安全、更高效的電池技術。

美國能源部阿岡國家實驗室研究人員領導的團隊，在近期發表於《美國化學學會材料通訊》期刊的論文中，揭示了他們為全固態電池測試的固態電解質的關鍵洞見，其研究成果有望帶來更安全、更高效的電池。

電解質猶如隔膜，能讓鋰離子攜帶的電荷在電池正負極之間流動。全固態電池使用固態而非液態電解質，正逐漸成為未來輕量、高能量密度、長壽命且更安全鋰離子電池發展的關鍵技術。與傳統鋰離子電池使用的液態電解質不同，固態電解質既不易揮發也不易燃，且與鋰金屬的反應性更低，這使得固態電解質比液態電解質更能與鋰金屬電極相容。由於鋰金屬中的所有原子都能參與電池的充放電過程，使其能夠儲存更多能量，因此鋰金屬的能量密度比傳統電極材料石墨更高。

由鋰鑭鋯石榴石（LLZO）製成的固態電解質是此類電池的首選材料。這種材料因其強度和耐用性而引人注目，同時它的導電性也很出色，即在充放電過程中，能輕易地使鋰離子在電極之間移動。

為了讓LLZO效能更優，研究人員一直在嘗試新增少量鋁或鎵等元素，以提高其導鋰離子的能力，這個過程稱為摻雜。摻雜就像是在食譜中加入一小撮香料，讓菜餚更美味，即新增少量其他元素來改變和改善材料的效能。

摻雜鋁和鎵有助於LLZO保持最對稱的結構，並產生空位，這些空位使鋰離子更容易從電極中逸出，從而提高導電性。然而，摻雜也會使LLZO與鋰金屬的反應性增強，縮短電池的迴圈壽命。

在這項研究中，研究人員研究了含鋁或鎵摻雜劑的LLZO與金屬鋰接觸時的情況。透過計算和實驗技術，研究人員發現鎵更容易從電解質中遷移出來，並且更易與鋰反應形成合金，這導致鎵的含量減少。鎵的流失會使鋰石榴石結構改變，降低離子導電性。相反，摻鋁的LLZO則保持完整。

摻鎵的LLZO因其離子導電性遠高於摻鋁的LLZO而具有吸引力。然而，這些摻雜劑與鋰接觸時的反應性，讓研究人員確定，若要使用鎵，需要一個介面層來保護和維持其導電性，同時防止其發生反應。

瞭解LLZO根據所新增的摻雜劑不同而表現不同的原因，將有助於科學家設計出更適合穩定可靠固態電池的材料。論文的主要研究人員、阿岡物理學家彼得・薩波爾表示：「瞭解摻雜劑如何與鋰反應很重要，這是優質電解質的另一項要求，而不僅僅是高導電性。」該研究的主要實驗人員、阿岡化學家桑賈・特帕維切維奇解釋說，如果摻雜劑不穩定，僅提高導電性是不夠的。她還表示：「如果我們能將反應性與導電性分離，或者開發出一種兼具高導電性和穩定性的材料，那基本上就是我們這項工作想要達到的目標。」

透過結合計算和實驗技術，研究人員能夠測量摻雜材料的關鍵特性，同時深入瞭解鋰金屬與固態電解質介面處原子層面的變化。研究人員使用一種名為密度泛函理論的強大計算方法，研究材料中原子和電子的行為，從而預測各種摻雜劑的穩定性以及它們與其他物質的反應情況。

特帕維切維奇指出，很少有實驗技術能讓科學家觀察固態電解質 - 電極介面，尤其是在電池執行時的電化學反應過程中，因為這些介面是「隱藏」的，大多數實驗技術無法看到。研究人員使用了X射線光電子能譜技術研究LLZO表面化學性質的變化，還利用電化學阻抗譜分析電解質中以及電解質 - 電極介面處鋰離子的移動情況。此外，他們還使用了中子衍射技術，該技術有助於確定材料中原子的排列方式，在這項研究中，它幫助研究人員確認鎵與鋰相互作用後變得不穩定且反應性增強，而鋁則保持穩定。

這項研究受益於與多個機構的合作，其中加州大學聖巴巴拉分校提供了高質量的LLZO。同時，中子衍射實驗在德國海因茨・邁爾 - 萊布尼茨中心和捷克科學院核物理研究所的使用者設施中進行。薩波爾表示：「美 - 德合作在這項工作中起到了至關重要的作用。展望未來，這些發現為國際上追求更安全、更高效的固態電池開闢了新途徑。」

除了特帕維切維奇和薩波爾，阿岡實驗室的作者還包括馬修・克倫克、邁克爾・庫尼漢、扎卡里・胡德、朱奕思和賈斯汀・康奈爾。此外，海因茨・邁爾 - 萊布尼茨中心的尼利瑪・保羅和拉爾夫・吉爾斯、捷克科學院核物理研究所的查爾斯・赫沃切斯以及加州大學聖巴巴拉分校的傑夫・坂本也為研究做出了貢獻。