一名研究人员拉伸大尺寸橡胶材料。信用:佐治亚理工学院为了让电动汽车成为主流，他们需要性价比更高、更安全、寿命更长的电池，这些电池在使用过程中不会爆炸，也不会对环境造成危害。佐治亚理工学院的研究人员可能已经找到了传统锂离子电池的替代产品，这种电池由一种常见的材料制成:橡胶。弹性体或合成橡胶因其优越的机械性能而被广泛用于消费产品和先进技术，如可穿戴电子产品和软机器人技术。研究人员发现，当这种材料被制成3D结构时，它以优异的机械韧性成为快速锂离子运输的超级高速公路，从而使充电时间更长的电池可以走得更远。这项与韩国高级科学技术研究所合作进行的研究周三发表在《自然》杂志上。
在传统的锂离子电池中，离子通过液体电解质移动。然而，电池本身是不稳定的:即使是最轻微的损坏也会泄漏到电解液中，导致爆炸或火灾。安全问题迫使该行业关注固态电池，这种电池可以用无机陶瓷材料或有机聚合物制成。
“大多数行业都在专注于构建无机固态电解质。但是它们很难制造，价格昂贵，而且不环保，”乔治·w·伍德拉夫机械工程学院副教授承佑·李说，他是一个研究团队的成员，该团队发现了一种优于其他材料的橡胶基有机聚合物。固体聚合物电解质由于其低制造成本、无毒和柔软的性质而继续引起人们的极大兴趣。然而，传统的聚合物电解质不具有足够的离子导电性和机械稳定性来保证固态电池的可靠运行。
新颖的3D设计带来能量密度、性能
佐治亚理工学院的工程师已经使用这种橡胶电解质解决了常见的问题(锂离子运输缓慢和机械性能差)。关键的突破是允许该材料在坚固的橡胶基质中形成三维(3D)互连的塑料晶体相。这种独特的结构导致了高离子电导率、优异的机械性能和电化学稳定性。
这种橡胶电解质可以在低温条件下使用简单的聚合工艺制成，在电极表面产生坚固而光滑的界面。橡胶电解质的这些独特特性防止锂枝晶生长，并允许更快的离子移动，即使在室温下也能使固态电池可靠运行。
李说:“橡胶因其高机械性能而被广泛应用，它将使我们能够制造便宜、更可靠、更安全的电池。
“更高的离子电导率意味着你可以同时移动更多的离子，”机械工程研究生研究员李名炀说。“通过提高这些电池的比能量和能量密度，可以增加EV的续航里程。”
研究人员现在正在寻找提高电池性能的方法，通过更好的离子导电性来增加循环时间和减少充电时间。到目前为止，他们的努力已经使电池的性能/循环时间提高了两倍。
这项工作可以提高佐治亚州作为电动汽车创新中心的声誉。全球能源和石化公司SK Innovation正在资助电解质材料的额外研究，作为其与研究所持续合作的一部分，以制造比传统锂离子电池更安全、能量密度更高的下一代固态电池。SK Innovation最近宣布在佐治亚州的商业区建设一个新的电动汽车电池工厂，预计到2023年，每年生产的锂离子电池数量将达到21.5千兆瓦时。
“全固态电池可以大幅提升电动汽车的续航里程和安全性。包括SK Innovation在内的快速增长的电池公司认为，全固态电池的商业化将成为电动汽车市场的游戏规则改变者，”SK Innovation下一代电池研究中心主任Kyounghwan Choi表示。“通过与SK Innovation和佐治亚理工学院的Se ung Woo Lee教授合作正在进行的项目，人们对全固态电池的快速应用和商业化抱有很高的期望。”
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