在通往更好的固态电池的道路上

劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 和佛罗里达州立大学的一个团队设计了一种新的固态电池蓝图，这种电池不太依赖特定的化学元素，尤其是由于供应链问题而难以采购的关键金属。他们的工作最近发表在《科学》杂志上，可以推进高效且价格合理的固态电池。

固态电池因其高能量密度和卓越的安全性而受到吹捧，可能会改变电动汽车行业的游戏规则。但开发一种价格适中且导电性足以一次充电为汽车提供数百英里动力的电池一直是一个需要克服的具有挑战性的障碍。

“通过我们的固态电池新方法，您不必为了性能而放弃经济性。我们的工作是第一个通过设计一种固体电解质来解决这个问题的，该固体电解质不仅包含一种金属，还包含一组负担得起的金属，”共同第一作者、伯克利实验室材料科学部的科学家 Yan Zeng说 。

在锂离子电池中，电解质的工作原理就像一个传输枢纽，锂离子随电荷移动，为设备供电或为电池充电。

与其他电池一样，固态电池储存能量，然后释放能量为设备供电。但他们使用的不是锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质，而是固体电解质。

政府、研究机构和学术界大力投资固态电池的研发，因为为许多商用电池设计的液体电解质更容易过热、起火和电荷损失。

然而，迄今为止建造的许多固态电池都是基于特定类型的金属，这些金属价格昂贵且无法大量获得。有些在根本找不到。

对于目前的研究，Zeng 与佛罗里达州立大学化学与生物化学助理教授 Bin Ouyang 以及资深作者、伯克利实验室高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Gerbrand Ceder一起展示了一种新型由多种金属元素混合而成的固体电解质。Zeng 和 Ouyang 在 Ceder 的指导下在伯克利实验室和加州大学伯克利分校完成博士后研究时首先提出了这项工作的想法。

新材料可能会产生导电性更强的固体电解质，减少对大量单个元素的依赖。

在伯克利实验室和加州大学伯克利分校的实验中，研究人员通过使用多种混合金属合成和测试几种锂离子和钠离子材料，展示了这种新型固体电解质。

他们观察到，新型多金属材料的性能好于预期，显示出比单金属材料快几个数量级的离子电导率。离子电导率衡量锂离子移动以传导电荷的速度。

研究人员推测，将许多不同类型的金属混合在一起会创造出新的途径——就像在拥挤的高速公路上增加高速公路一样——锂离子可以通过这些途径在电解质中快速移动。曾解释说，如果没有这些途径，锂离子从电池的一端穿过电解液到另一端时，它们的移动将会很慢且受到限制。

为了验证多金属设计的候选者，研究人员在国家能源研究科学计算中心 (NERSC)的超级计算机上基于一种称为密度泛函理论的方法进行了高级理论计算。研究人员使用分子铸造厂的扫描透射电子显微镜 (STEM) 证实，每种电解质仅由一种材料制成——科学家称之为“单相”——具有不寻常的扭曲，从而在其内部产生新的离子传输途径晶体结构。

这一发现为设计下一代离子导体提供了新的机会。这项研究的下一步是应用 Zeng 在伯克利实验室与 Ceder 开发的新方法，进一步探索和发现可以进一步提高电池性能的新型固体电解质材料。

这项工作代表了伯克利实验室储能中心 的专家们正在努力使国家过渡到清洁、负担得起和有弹性的能源未来的 众多方式之一。

去年，Ouyang因“推进对化学短程有序的理解以设计新一代商业化正极材料”而获得NERSC 高性能计算成就奖。该奖项旨在表彰使用 NERSC 资源为科学计算做出重大贡献的早期职业科学家。

为这项工作做出贡献的其他科学家包括伯克利实验室的 Young-Woon Byeon 和 Zijian Cai、橡树岭国家实验室的 Jue Liu 以及三星高级技术研究所的 Lincoln Miara 和 Yan Wang。

Molecular Foundry 和 NERSC 是伯克利实验室的 DOE 科学办公室用户设施。