<p>由新加坡國立大學(xué)設(shè)計與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授Pieremanuele Canepa領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的鈉離子基固體電解質(zhì)組合物，可以實現(xiàn)電池的超快充放電。</p> <p style="text-align: center;"><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1673429200172/1673429200172.jpg" width="531" height="354" /><span style="color: #666666;"><em>▲來自新國大設(shè)計與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系的研究團隊,左起:研究工程師Aaron Tieu Jue Kang、研究員Yuheng Li、助理教授Pieremanuele Canepa、研究員Zeyu Deng。</em></span></p> <p style="text-align: center;">&nbsp;</p> <p>最近，該團隊的這項研究發(fā)表在了國際權(quán)威期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Canepa助理教授談到：&ldquo;傳統(tǒng)且廣泛使用的鋰離子電池有著安全問題的缺陷，特別是因為它們所含液體電解質(zhì)的高可燃性。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們面臨的挑戰(zhàn)是需要找到更安全的固態(tài)電池替代品，而且這種替代品還要在充電速度、壽命和潛在充電能力方面具有競爭力。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>更安全且高容量的電池</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員普遍認(rèn)為，使用不易燃的陶瓷材料&mdash;&mdash;被稱為固體電解質(zhì)&mdash;&mdash;來制造全固態(tài)電池是生產(chǎn)更安全、容量更大的電池的最佳前景，因為這些電池需要滿足低碳未來的能源需求。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，開發(fā)出合適的陶瓷材料成分的難點在于，它要能夠提供與商用鋰離子電池的易燃液體電解質(zhì)相競爭的性能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對此，該研究團隊開發(fā)的新型固態(tài)成分使用了一類被稱為NASICONs(或鈉超離子導(dǎo)體)的固體電解質(zhì)。大約在40年前，NASICONs由Hong和2019年諾貝爾化學(xué)獎得主Goodenough首次發(fā)現(xiàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>除了更安全之外，使用鈉的電池還有一個額外的好處，那就是更便宜和更容易生產(chǎn)。</p> <p><br />Canepa助理教授表示：&ldquo;鋰本身就是一種相當(dāng)稀有的元素，世界上大部分鋰都來自少數(shù)幾個地方&mdash;&mdash;主要是智利、玻利維亞和澳大利亞。然而，使用依賴鈉的電池效率要高得多，因為鈉可以很容易、甚至干凈地提取&mdash;&mdash;即使在新加坡這樣的小地方也是如此。&rdquo;</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1673429256242/1673429256242.jpg" width="531" height="354" /></p> <p style="text-align: center;"><span style="color: #666666;"><em>▲Canepa助理教授正在將一個NASICON樣品裝入x射線衍射儀中。</em></span></p> <p style="text-align: center;">&nbsp;</p> <p>運用前沿方法</p> <p>&nbsp;</p> <p>Canepa助理教授的團隊采用了一種自下而上的方法&mdash;&mdash;首先使用高性能超級計算機和該團隊開發(fā)的新算法開發(fā)了NASICON陶瓷成分的理論原子尺度模型。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，由位于法國亞眠的法國國家科學(xué)研究中心R&eacute;activit&eacute; et Chimie des Solides實驗室的Masquelier教授團隊對設(shè)計的成分物進(jìn)行了實驗合成、表征和測試。此外，在新加坡國立大學(xué)和位于德國J&uuml;lich的能源與氣候研究所測量了新NASICON組分中的離子運動速度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Canepa助理教授表示：&ldquo;我們使用的方法使研究人員能夠加速開發(fā)和優(yōu)化用于全固態(tài)電池的新型固體電解質(zhì)，這對實現(xiàn)更安全、功率密度更高的電池至關(guān)重要。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們相信，這種先進(jìn)的方法將為開發(fā)下一代清潔能源存儲技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。&rdquo;</p> <p style="text-align: center;"><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1673429313550/1673429313550.jpg" width="531" height="354" /><span style="color: #666666;"><em>▲研究工程師Aaron Tieu Jue Kang和研究員Zeyu Deng正在低溫探測器中裝載NASICON。</em></span></p> <p style="text-align: center;">&nbsp;</p> <p>目前，該團隊正在進(jìn)行下一階段研究&mdash;&mdash;他們將專注于開發(fā)使用NASICON陶瓷的全尺寸固態(tài)電池，并演示其充放電的性能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Canepa助理教授負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)新加坡國立大學(xué)的Canepa研究實驗室，該實驗室利用超級計算機的力量和先進(jìn)的模擬算法，推動清潔能源轉(zhuǎn)化和存儲技術(shù)的不斷發(fā)展。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Canepa實驗室對全固態(tài)電池的研究</p> <p>&nbsp;</p> <p>在一項相關(guān)研究中，Canepa實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)了全固態(tài)電池發(fā)展中的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：堿金屬陽極和固體電解質(zhì)之間的接口通常是不穩(wěn)定的，這也是電池故障的來源。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種接口的穩(wěn)定性取決于在邊界處形成的化學(xué)性質(zhì)不同的夾層的性質(zhì)，這種夾層被稱為固體電解質(zhì)界面。</p> <p>&nbsp;</p> <p>最近，他們在《PRX能源》(PRX Energy)雜志上發(fā)表了一項研究&mdash;&mdash;由研究員Yuheng Li領(lǐng)導(dǎo)的團隊研究了鋰-金屬陽極和一種著名的固體電解質(zhì)之間的電池界面，并在該界面上形成了一種自我限制和穩(wěn)定的狀態(tài)。</p> <p style="text-align: center;"><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1673429358401/1673429358401.jpg" width="531" height="354" /><span style="color: #666666;"><em>▲Yuheng Li研究員領(lǐng)導(dǎo)了全固態(tài)電池的發(fā)展研究：堿金屬陽極和固體電解質(zhì)之間的界面。</em></span></p> <p style="text-align: center;">&nbsp;</p> <p>為了了解這種穩(wěn)定性的原因，研究人員使用原子尺度仿真來模擬界面相的電子電導(dǎo)率。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，因為界面是電子絕緣性的，所以阻止了自身的逐步形成并穩(wěn)定了界面。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊表示，他們的發(fā)現(xiàn)為穩(wěn)定的電池接口提供了設(shè)計指南，這將有助于加速安全和高性能全固態(tài)電池的商業(yè)化發(fā)展。</p>