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陶瓷“紡織品”賦予固態(tài)電池靈活性

文章來源：未知更新時間：2018-03-06 09:33:52

上圖為靈活的鋰離子導(dǎo)電陶瓷纖維織物的示意圖，這種物質(zhì)保留了原始織物模板的物理特性。而其獨特的結(jié)構(gòu)使得鋰離子能夠通過連續(xù)纖維，固體離子導(dǎo)體的高表面/體積比以及多級孔隙率從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

上圖中（a）為經(jīng)預(yù)處理的紡織品模板的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像; （b）用前體溶液浸漬的模板的SEM圖像; （c）石榴石紡織品的SEM圖像; （d）三維激光掃描的石榴石織物平整度模型; （e）表征的是石榴石紡織品的靈活性，可加工性和耐溶劑性。

用于鋰硫電池的3D石榴石織物電極架構(gòu)：（a）在致密支撐電解質(zhì)上燒結(jié)的石榴石織物; （b）硫陰極滲透石榴石織物電極結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

先進(jìn)的鋰離子電池徹底改變了電子和傳輸，為主機(jī)提供了移動電源。但是，盡管鋰離子電池取得了成功，但由于其所依賴的易燃液體電解質(zhì)會有引發(fā)著火的可能性。所有使用固體電解質(zhì)的制備的固態(tài)電池是一個很好的解決方案。

據(jù)報道，現(xiàn)在，馬里蘭大學(xué)的一個團(tuán)隊設(shè)計了一種基于鋰離子傳導(dǎo)陶瓷紡織品的新型固態(tài)電池[相關(guān)論文為Gong等，Materials Today（2018），doi：10.1016 / j.mattod.2018.01.001]。

負(fù)責(zé)該研究的Eric D. Wachsman解釋道：“我們使用簡單的商業(yè)織物作為模板制造鋰離子導(dǎo)電石榴石纖維墊織物，然后用固體聚合物電解質(zhì)填充纖維之間的孔隙空間”。

其中，晶體石榴石樣結(jié)構(gòu)（化學(xué)式為Li7La3Zr2O12）是最有前途的實心導(dǎo)體之一，因為它們的立方結(jié)構(gòu)可快速傳導(dǎo)鋰離子，并從鋰金屬到高壓陰極具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。為了制造石榴石“紡織品”，研究人員簡單地將纖維素基紡織品浸泡在石榴石前體溶液中，然后在不同溫度的爐中進(jìn)行煅燒。燒結(jié)過程燒掉紡織品模板，留下石榴石，其保留了織物的結(jié)構(gòu)特征，包括由相互連接的孔隙分開的交織纖維?？卓梢匀菀椎赜娩囯x子/聚合物混合物浸漬。石榴石紡織物同時為鋰離子提供三維導(dǎo)電框架，并為聚合物電解質(zhì)提供物理強(qiáng)大的支撐。

Wachsman指出：“這種結(jié)構(gòu)能使離子快速傳導(dǎo)來通過連續(xù)陶瓷纖維，而且同時使用液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)電池，由于在操作過程中會形成鋰枝晶，所以液態(tài)電解質(zhì)容易造成短路現(xiàn)象。而聚合物電解質(zhì)由于它們很硬所以有助于阻止枝晶的形成，而陶瓷電解質(zhì)更硬，因此在阻止枝晶形成的作用上更有效。

Wachsman說：“雖然聚合物電解質(zhì)有助于阻止枝晶的形成，但是當(dāng)它們與鋰金屬接觸時，導(dǎo)電率低而且化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。相比之下，石榴石陶瓷具有更高的導(dǎo)電性并且與鋰金屬接觸穩(wěn)定，但是唯一的缺點是不靈活。我們的混合提供了最好的性能。”

研究人員報告說，用石榴石織物制成的鋰硫電池構(gòu)建的原型電極中硫負(fù)荷很高可以達(dá)到10.8 g / cm2，其循環(huán)穩(wěn)定性也超過了500小時。

Wachsman和他的團(tuán)隊正在推動這項技術(shù)的發(fā)展，目前正致力于減少紡織品的稀釋劑，以減少對離子傳輸?shù)牡挚沽Γ瑥亩鴥?yōu)化致密化過程以增加石榴石相的體積分?jǐn)?shù)。

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