研究人員拉伸大型橡膠材料。圖片來(lái)源：美國(guó)佐治亞理工學(xué)院

為了使電動(dòng)汽車(chē)（EVs）成為主流，它們需要成本效益高、更安全、更持久的電池，這些電池在使用過(guò)程中不會(huì)爆炸或損害環(huán)境。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員可能已經(jīng)找到了一種有希望替代傳統(tǒng)鋰離子電池的材料：橡膠。

彈性體，或合成橡膠，由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，被廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品和先進(jìn)技術(shù)，如可穿戴電子設(shè)備和軟機(jī)器人。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種材料被配制成3D結(jié)構(gòu)時(shí)，它作為快速鋰離子運(yùn)輸的超級(jí)公路，具有卓越的機(jī)械韌性，從而使電池的充電時(shí)間更長(zhǎng)，可以走得更遠(yuǎn)。這項(xiàng)研究是與韓國(guó)科學(xué)和技術(shù)高級(jí)研究所合作進(jìn)行的，周三發(fā)表在《自然》雜志上。

在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，離子是由液體電解質(zhì)移動(dòng)的。然而，這種電池本身是不穩(wěn)定的：即使是最輕微的損壞也會(huì)泄漏到電解質(zhì)中，導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)。安全問(wèn)題迫使業(yè)界關(guān)注固態(tài)電池，它可以使用無(wú)機(jī)陶瓷材料或有機(jī)聚合物制造。

喬治-W-伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院副教授Seung Woo Lee說(shuō)："大多數(shù)行業(yè)都在關(guān)注構(gòu)建無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。但它們很難制造，價(jià)格昂貴，而且不環(huán)保。"他是一個(gè)研究小組的成員，該小組發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)于其他材料的橡膠基有機(jī)聚合物。固體聚合物電解質(zhì)因其制造成本低、無(wú)毒和柔軟的特性，繼續(xù)吸引著人們的極大興趣。然而，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)沒(méi)有足夠的離子傳導(dǎo)性和機(jī)械穩(wěn)定性來(lái)保證固態(tài)電池的可靠運(yùn)行。

新穎的三維設(shè)計(jì)帶來(lái)了能量密度和性能的飛躍

佐治亞理工學(xué)院的工程師們利用橡膠電解質(zhì)解決了常見(jiàn)的問(wèn)題（鋰離子傳輸緩慢和機(jī)械性能差）。關(guān)鍵的突破是讓材料在堅(jiān)固的橡膠基質(zhì)中形成三維（3D）互連的塑料晶體相。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了高離子傳導(dǎo)性、卓越的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。

這種橡膠電解質(zhì)可以在低溫條件下使用簡(jiǎn)單的聚合工藝制成，在電極表面產(chǎn)生堅(jiān)固而光滑的界面。橡膠電解質(zhì)的這些獨(dú)特特性防止了鋰枝晶的生長(zhǎng)，并允許更快地移動(dòng)離子，使固態(tài)電池即使在室溫下也能可靠運(yùn)行。

Lee說(shuō)："橡膠因其高機(jī)械性能而被到處使用，它將使我們能夠制造廉價(jià)、更可靠和更安全的電池。更高的離子傳導(dǎo)性意味著你可以在同一時(shí)間移動(dòng)更多的離子。通過(guò)增加這些電池的比能量和能量密度，你可以增加電動(dòng)車(chē)的里程。"

機(jī)械工程研究生研究員Michael Lee說(shuō)：“研究人員現(xiàn)在正在研究如何提高電池的性能，通過(guò)更好的離子傳導(dǎo)性增加其循環(huán)時(shí)間和減少充電時(shí)間。到目前為止，他們的努力已經(jīng)使電池的性能/循環(huán)時(shí)間有了兩次的改善。”

這項(xiàng)工作可以提高格魯吉亞作為電動(dòng)車(chē)創(chuàng)新中心的聲譽(yù)。SK Innovation是一家全球能源和石化公司，正在資助對(duì)電解質(zhì)材料的額外研究，作為其與該研究所持續(xù)合作的一部分，以建立比傳統(tǒng)鋰離子電池更安全、能量更密集的下一代固態(tài)電池。SK創(chuàng)新公司最近宣布在佐治亞州商務(wù)市建設(shè)一個(gè)新的電動(dòng)車(chē)電池工廠，預(yù)計(jì)到2023年，年產(chǎn)鋰離子電池量將達(dá)到21.5千兆瓦時(shí)。

SK Innovation下一代電池研究中心主任Kyounghwan Choi說(shuō)："全固態(tài)電池可以極大地提高電動(dòng)汽車(chē)的里程數(shù)和安全性。包括SK Innovation在內(nèi)的快速發(fā)展的電池公司認(rèn)為，全固態(tài)電池的商業(yè)化將成為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的游戲規(guī)則改變者。通過(guò)與SK Innovation和佐治亞理工學(xué)院的Seung Woo Lee教授合作的現(xiàn)行項(xiàng)目，人們對(duì)全固態(tài)電池的快速應(yīng)用和商業(yè)化寄予厚望。"