近年來，隨著鋰離子電池的普及，全球的鈷和鎳供應(yīng)壓力不斷增長(zhǎng)（目前電池設(shè)計(jì)中必需的兩種金屬），并且價(jià)格飆升。據(jù)外媒報(bào)道，為了開發(fā)新的替代性鋰基電池，減少對(duì)稀有金屬的依賴性，佐治亞理工學(xué)院的研究人員研制出新型正極和電解質(zhì)系統(tǒng)，采用低成本過渡金屬氟化物和固體聚合物電解質(zhì)，取代貴金屬和傳統(tǒng)液體電解質(zhì)。

佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)和工程學(xué)院教授Gleb Yushin表示：“長(zhǎng)期以來，用過渡金屬氟化物制造電極，一直存在穩(wěn)定性差和快速失效的問題。對(duì)于能否把它應(yīng)用于一下代電池設(shè)計(jì)，人們一直持有很大的質(zhì)疑。但是，我們已經(jīng)證明，當(dāng)與一種固體聚合物電解質(zhì)一起投入使用時(shí)，這種金屬氟化物表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，即使在高溫狀態(tài)下也是如此。因此，完全可以用它來設(shè)計(jì)更安全、更輕量級(jí)和成本更低的鋰離子電池。”

在典型的鋰離子電池中，鋰離子通過在正負(fù)極兩個(gè)電極間流動(dòng)釋放能量。其中，正極通常是由鋰和過渡金屬構(gòu)成，比如鈷、鎳和錳。電極之間的離子流動(dòng)通過液體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)。在本次研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用氟化鐵活性物質(zhì)和固體聚合物電解質(zhì)納米復(fù)合材料，制造新型正極。氟化鐵所提供的鋰容量是傳統(tǒng)鈷基或鎳基正極的2倍多。而且，鐵的價(jià)格要比鈷便宜300倍，比鎳低150倍。

為了生產(chǎn)這種正極，研究人員專門開發(fā)出一種制造工藝，可使固體聚合物電解質(zhì)滲透到預(yù)制氟化鐵電極中。接著，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱壓，以增加密度并減少空隙。這種基于聚合物的電解質(zhì)具有兩大核心特色，那就是它在循環(huán)過程中具有彎曲性，能夠適應(yīng)氟化鐵溶脹；而且，可以與氟化鐵形成非常穩(wěn)定且有彈性的界面。在以往電池設(shè)計(jì)中，使用氟化鐵會(huì)出現(xiàn)溶脹和大量的副反應(yīng)，這一直是關(guān)鍵性問題。

研究人員接著測(cè)試幾種新型固態(tài)電池變體，在122度華氏溫度下，進(jìn)行300次充放電循環(huán)，分析其性能表現(xiàn)。值得一提的是，即使冷卻至室溫，它們的表現(xiàn)也超過以往的金屬氟化物。

研究人員指出，提升電池性能的關(guān)鍵在于固態(tài)聚合物電解質(zhì)。以前嘗試使用金屬氟化物時(shí)，會(huì)認(rèn)為金屬離子移動(dòng)至正極表面，最終溶解至液體電解質(zhì)，造成容量損耗，特別是在高溫下。另外，當(dāng)電池在華氏100度以上運(yùn)行時(shí)，金屬氟化物能促使液體電解質(zhì)大量分解。然而，如果將固態(tài)電解質(zhì)和正極結(jié)合起來，就不會(huì)出現(xiàn)溶解，固態(tài)電解質(zhì)可以保持非常穩(wěn)定的狀態(tài)，防止電池失效。

研究科學(xué)家表示：“我們使用的聚合物電解質(zhì)非常普遍。但是，還有很多固態(tài)電解質(zhì)，以及電池或電極結(jié)構(gòu)，比如核殼粒子形態(tài)，同樣能夠明顯減弱甚至完全防止寄生副反應(yīng)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能特征。”

末來的時(shí)間，研究人員將致力于開發(fā)新的固態(tài)電解質(zhì)，提高其性能，以實(shí)現(xiàn)快速充電。并將在新的設(shè)計(jì)中，將固體和液體電解質(zhì)結(jié)合起來，使其與大型電池工廠采用的傳統(tǒng)電池制造工藝完全兼容。