传统固态电池和该团队新的高性能设计的图示，其中包含定制的elect rode电解质接口。学分:伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校固态电池将大量能量装入一个小空间，但它们的电极不善于与电解质保持接触。液体电解质到达电极的每一个角落来释放能量，但是液体在不储存能量的情况下占据了空间，并且随着时间的推移而失效。研究人员现在将固体电解质与由战略排列材料制成的电极接触——在原子水平上——结果有助于推动更好的固态电池技术。由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授保罗·布劳恩、博士后研究助理贝尼阿明·扎希里和Xerion Advanced Battery Corp .研发总监约翰·库克领导的一项新研究展示了对固体材料原子排列的控制如何改善固态电池中阴极-固体电解质界面和稳定性。研究结果发表在《自然材料》杂志上。
扎希里说:“对于电池来说，重要的不仅仅是材料，还有这些材料表面的原子是如何排列的。“目前，固态电池电极包含表面原子排列差异很大的材料。这导致看似无限多的电子-固体电解质接触界面的可能性，所有这些都具有不同水平的化学反应性。我们感兴趣的是找出哪些安排能够切实改善电池的循环寿命、能量密度和功率。”
研究人员表示，电解液的稳定性控制着电池在开始断电之前可以处理多少次充放电循环。正因为如此，科学家们正在竞相寻找最稳定的电解质材料。
材料科学和工程研究人员Beniamin Zahiri(左)和Paul Braun领导的团队开发了由战略性排列的材料制成的新型电池电极，努力推动更好的固态电池技术。信用:弗雷德·兹维奇“在寻找稳定的固体电解质材料的热潮中，开发人员似乎忽视了电解质和电极之间非常薄的界面上发生的事情的重要性，”扎希里说。“但是，如果电解质和电极之间的连接不能得到有效评估，电解质的稳定性就无关紧要了。”
在实验室里，研究小组建造了含有钠离子和锂离子的电极，电极上有特定的原子排列。他们发现了锂基和钠基固态电池的电池性能和界面原子排列之间的相关性。他们还发现，最小化界面表面积和控制电极的原子排列是理解界面不稳定性本质和提高电池性能的关键。
库克说:“这是一个新的范例，说明如何评估目前可用的所有重要固体电解质。“在此之前，我们很大程度上只是猜测什么电极-固体电解质界面结构给出了最好的性能，但现在我们可以测试这一点，并找到材料和原子取向的最佳组合。”
研究人员说，正如合著者机械科学与工程教授Elif Ertekin和她的团队所证明的那样，拥有这种水平的控制给了研究人员运行原子模拟所需的信息，他们假设原子模拟将在未来产生更好的电解质材料。
布劳恩说:“我们认为这将教会我们很多关于如何研究新兴固体电子学的知识。“我们并没有试图发明新的固体电解质；材料界已经在这方面做得很好了。我们的方法将允许其他人精确测量他们的新材料的界面特性，否则这是很难确定的。”
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