如图所示的氯基电解质为固态锂离子电池提供了更好的性能。鸣谢:Linda Nazar/滑铁卢大学在寻找完美电池的过程中，科学家有两个主要目标:创造一种能够储存大量能量并安全使用的设备。许多电池含有潜在易燃的液体电解质。因此，完全由固体元件组成的固态锂离子电池对科学家越来越有吸引力，因为它们提供了更高安全性和更高能量密度的诱人组合——能量密度是给定体积的电池可以储存的能量。
加拿大滑铁卢大学的研究人员是联合储能研究中心(JCESR)的成员，该中心总部位于美国能源部阿贡国家实验室，他们发现了一种新的固体电解质，具有几个重要的优势。
这种电解质由锂、钪、铟和氯组成，传导锂离子很好，但传导电子很差。这种组合对于制造全固态电池是必不可少的，这种电池在高电压(高于4伏)下运行超过100个循环，在中等电压下运行数千个循环时不会显著损失容量。电解液的氯化物性质是其在高于4伏的工作条件下保持稳定的关键，这意味着它适用于构成当今锂离子电池主体的典型阴极材料。
“固态电解质的主要吸引力在于它不会着火，并且它可以有效地放置在电池单元中；我们很高兴展示了稳定的高压操作，”UWaterloo杰出的化学研究教授、JCESR的长期成员Linda Nazar说。
目前固态电解质的迭代主要集中在硫化物上，硫化物在2.5伏以上会氧化和降解。因此，它们需要在高于4伏的电压下工作的阴极材料周围加入绝缘涂层，这削弱了电子和锂离子从电解质进入阴极的能力。
“对于硫化物电解质，你有一种难题——你想通过电子方式将电解质与阴极隔离，这样它就不会氧化，但你仍然需要阴极材料具有电子传导性，”Nazar说。
虽然Nazar的团队不是第一个设计氯化物电解质的人，但根据他们之前的工作，用钪替换一半铟的决定被证明是一个赢家，因为它具有更低的电子电导率和更高的离子电导率。Nazar说:“氯化物电解质变得越来越有吸引力，因为它们只能在高电压下氧化，有些电解质与我们现有的最佳阴极在化学上是兼容的。“最近报道了一些，但我们设计了一个有明显优势的。”
离子导电率的一个化学关键是这种材料交叉的三维结构，称为尖晶石。研究人员不得不平衡两个相互竞争的愿望——让尖晶石负载尽可能多的携带电荷的离子，同时也为离子移动留出空间。纳扎尔说:“你可能会认为这就像是试图举办一场舞会——你希望有人来，但又不希望太拥挤。
根据纳扎尔的说法，理想的情况是尖晶石结构中一半的位置被锂占据，而另一半保持开放，但她解释说，创造这种情况很难设计。
除了锂良好的离子导电性之外，Nazar和她的同事们还需要确保电子不能轻易地穿过电解质，从而在高压下引发其分解。“想象一场跳房子游戏，”她说。“即使你只是试图从第一个正方形跳到第二个正方形，如果你能创造一堵墙，让电子很难跳过，在我们的例子中，这是这种固体电解质的另一个优势。”
Nazar说，目前尚不清楚为什么电子电导率低于许多先前报道的氯化物电解质，但它有助于在阴极材料和固体电解质之间建立一个干净的界面，这一事实在很大程度上是稳定性能的原因，即使阴极中有大量的活性材料。
基于这项研究的一篇论文“氯化物固体电解质支持的高面积容量、长循环寿命4 V陶瓷全固态锂离子电池”发表在1月3日的《自然能源》网络版上。
这篇论文的其他作者包括纳扎尔的研究生周(JCESR成员，负责大部分工作)和、郭春元(Chun Yuen Kwok)和阿苏德(Abdeljalil Assoud)，他们都是UWaterloo的成员。其他作者包括德国Justus Liebig大学的左彤彤和Juergen Janek教授以及美国能源部橡树岭国家实验室的张强。
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