美科研人員發現固態鋰電池新電解質材料

據外媒報道，勞倫斯利福摩爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的科學家Brandon Wood與（美國）國家標準技術局（National Institute of Standards and Technology，NIST）的科學家Mirjana Dimitrievska負責牽頭一項國際性研發合作，其研究團隊發現在鋰電池電解液中，若采用硼原子（boron atom）代替碳原子（carbon atom），提升了鋰離子的流動性。對于固態電池而言，該特點頗具吸引力。

這就是所謂“阻挫（frustration）”的一個示例：系統動態性決定了鋰離子永遠不會滿足于停留于原位，所以鋰離子會一直呈現移動狀態。

相較于當下的電池，固態鋰離子電池可提升安全性、電壓及能量密度。然而，固態電池仍處于研發的初級階段，截止至目前，鮮有能實現商用的固態鋰電池。

固態電池商業化的核心障礙之一在于：可供選擇的固態電解質材料太少，該類材料旨在確保鋰離子能在正負極之間有效移動。

然而，可用的材料存在多種問題，一部分材料的穩定性存在問題，另一部分則難以加工，至于剩下的備選材料，大部分是因為鋰離子的移動速率過緩而遭淘汰，這意味著在制作時，務必確保該材料十分纖薄。

新研究主要致力于新材料——閉合硼酸鹽（closo-borates），最近發現該材料的鋰離子流動率較快。據Wood透露，該款材料的電化學性能穩定，更易加工。相較于其他材料，其優點較多。

盡管該款材料也存在一定的商業化障礙，但熱穩定性、機械強度及循環特性（cyclability）較高，這恰恰是該研究團隊眼下關注的焦點。該款新材料頗具吸引力，未來或許會被用于替代當下的固態電解質材料。

該款電解質材料是一款鹽類物質，其含有帶正電荷的無水氯化鋰（lithium cations）和帶負電荷的閉合硼酸陰離子。該研究表明，閉合硼酸陰離子可快速地完成其位置的重新調整（reorient），在固態基質（solid matrix）內徘徊，按特定的優先定向（preferred direction）進行交替位移。

若向閉合硼酸陰離子添加碳，就會生成所謂的偶極子（dipole），后者將排斥附近碳原子內的鋰離子。隨著陰離子的疾馳（spin），碳原子將面向不同的位置，每次都將迫使固態基質內的鋰離子移動到附近區域。由于該類鹽內均為疾馳的陰離子，從而導致鋰離子的流動速度變得非常快。