固態電解質為固態電池開路

Solid electrolytes open doors to solid-state batteries
http://phys.org/news/2016-03-solid-electrolytes-doors-solid-state-batteries.html

March 22, 2016

日本科學家已合成二種結晶材料，有望成為一種固態電解質（solid electrolytes）。使用固態電解質打造的全固態電池展現出許多優異的特性，包括：高功率、高能量密度，且能用在長途電動車中。

高功率電池為眾多應用所需，包括未來的電動車。這些電池必須能充電、能安全儲存以及能在變化無常的溫度下使用，而且電量能維持一段合理的時間。現在日本的 Yuki Kato 以及 Ryoji Kanno 在與來自豐田汽車公司、東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）還有高能加速器研究組織（High Energy Accelerator Research Organization，KEK）的同事合作之下，成功地設計出新穎、高電力、全固態的電池，且在試驗中看見相當有希望的成果。

傳統電池的運作絕大多數都倚賴離子流經位於二電極之間的液態電解質；用於手機中的鋰離子電池，是這類型電池的例子之一。然而，使用液態電解質的電池很容易產生問題，包括低電荷保存（charge retention）以及難以在高溫與低溫下運作。先前的固態電解質設計看起來有希望，但卻十分昂貴，且某些在電化學穩定性上有問題。

Kato 及其團隊基於先前由該團隊所發現結晶構造，合成出二種新的、基於鋰的「超離子（superionic）」材料。他們使用 SPring-8 的同步輻射 X 光繞射儀 BL02B2，以及 J-PARC 的中子繞射儀 iMATERIA(BL20) 研究這些結晶構造。超離子材料是固態結晶結構，藉此離子能輕易地「跳躍（hop）」，維持了離子的流動，在本質上與液態電解質內部所發生的類似。他們證明鋰離子如何在他們化合物內的結構中快速移動，即便在室溫下。

由該團隊開發的這二種超離子材料經證明具有相當高的離子傳導率以及高度的穩定性。研究者利用這二種固態電解質創造出二種類型的電池：一種是高伏特電池而另一種則被設計成在大電流下運作。這二種固態電池與鋰離子電池相較，都展現出優異的效能，在攝氏 -30 度到 100 度之間都能良好運作。Kato 的團隊發現，這些電池具有高功率密度（power density），以及超快的充電能力，且壽命也比現有的電池種類長。

雖然這項技術在商業化利用之前需要更進一步的開發，不過這些看起來有希望的結果指出，全固態電池也許很快就能提供穩定的、長壽命的能量儲存給市面上那些需求孔急的應用。


固態電解質的需求

我們日常生活中所用的電池與電容絕大多數都使用液態電解質。以可充電的鋰離子電池為例，在運作時，它維持一個由負極到正極的離子流，而這樣的離子流在充電時逆轉。雖然鋰離子電池很適合用在這些目的上，但對於有更高功率及能量密度需求的新裝置而言，仍有更強烈的需求。由於只要將電池組（battery cells）直接串連堆疊就能達到高能量密度，全固態電池因此成為未來電池系統中最有希望的候選者。然而，全固態電池的低功率特性仍尚未解決，這是因為與傳統液態電解質相較，它們具有更高的固態電解電阻（electrolyte-resistivity）。

尋找適合創造固態電解質材料的研究已經產生了一些原型。到目前為止，這些「超離子」材料（那允許離子在其結晶結構中迅速且自由地移動）已使用昂貴的元素「鍺（Ge）」開發出來 -- 研究者因而熱衷尋找超離子導體（那能成為全固態電池的基礎）的替代品。


顯著性

Yuki Kato 及其團隊所開發的、二種基於鋰的新超離子導體材料（結構：Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 以及 Li9.6P3S12），代表在創造可用的固態電池上向前躍進了一步。這二種電池以新的固態電極為基礎，在試驗時與鋰離子電池相較，表現相當好。在攝氏 -30 到 100 度之間，它們仍可穩定且持續地運作。它們展現出高能量與高功率密度，而且內電阻（internal resistance）很小。其特性還包括允許讓每個 cell 能緊密堆疊在一起而不會產生干擾。

此外，這些電池展現出超快的充電能力、能維持電荷一段很長的時間，且顯然在優異的充電循環能力下（在充電循環 500 次後依然維持約 75% 的初始放電量 (initial discharge capacity)），有著更長的壽命。

這些有希望的結果在商業化之前還需要更進一步研究。將高能電極（high energy electrodes）加入固態電池中，能強化電池的功率。此外，補完電池使其能夠堆疊的處理技術，是這樣的配置能夠被完整測試前所需要的。Kato 及其團隊對於他們的新材料能夠為多用途的全固態電池（包括未來的長距離電動車）鋪路充滿了希望。

※ 相關報導：

＊ High-power all-solid-state batteries using sulfide superionic conductors
http://www.nature.com/articles/nenergy201630

Yuki Kato, Satoshi Hori, Toshiya Saito, Kota Suzuki,
Masaaki Hirayama, Akio Mitsui, Masao Yonemura,
Hideki Iba & Ryoji Kanno
Nature Energy (2016).
doi: 10.1038/nenergy.2016.30

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