固态电解质的形象
辛格集团利用固态电解质中的缺陷和位错来创造卓越的储能材料。(图片由美国化学学会提供)

由康奈尔大学(Ithaca, NY)领导的一项合作利用x射线纳米成像获得了前所未有的固态电解质视图,揭示了以前未检测到的晶体缺陷和位错,现在可能被用来创造优越的能量存储材料。

半个世纪以来,材料科学家一直在研究金属中微小缺陷的影响。成像工具的发展为探索其他材料中的类似现象创造了机会,尤其是用于能量存储的材料。

该团队使用同步辐射来发现电池材料中原子尺度的缺陷,而传统方法如电子显微镜都无法发现这些缺陷。他们对固态电解质特别感兴趣,因为固态电解质有可能取代锂离子电池中的液体电解质和聚合物电解质。液态电解质的一个主要缺点是它们很容易在正极和负极之间形成尖状的枝晶,这会使电池短路,甚至更糟,导致电池爆炸。

固态电解质的优点是不易燃,但它们自身也存在挑战。它们不能像液体那样强烈或快速地传导锂离子,而且很难保持阳极和阴极之间的接触。固态电解质也需要非常薄;否则,电池将过于笨重,任何容量的增加都将被抵消。

是什么让固态电解质可行?微小的缺陷可能会促进离子扩散,这将使离子速度更快,这在金属中是已知的。也像金属一样,有缺陷在防止断裂方面更好。

康奈尔大学的研究小组随后与弗吉尼亚理工大学的研究人员合作,合成了这个样品:石榴石晶体结构,锂镧氧化锆(LLZO),在掺杂过程中添加了不同浓度的铝。

利用美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源,他们采用了一种叫做布拉格相干衍射成像的技术,这种技术将纯柱状x射线束聚焦在一微米大小的LLZO颗粒上——就像一个激光指针。电解质由数百万个这样的颗粒组成。光束产生的3D图像最终揭示了材料的形态和原子位移。

电解质最初被认为是完美的晶体,但研究人员发现了诸如位错和晶界等以前没有报道过的缺陷。如果没有对缺陷极其敏感的3D成像,就不可能看到这些位错,因为位错密度很低。

研究人员现在计划进行一项研究,测量缺陷如何影响固态电解质在实际电池中的性能。

“现在我们确切地知道了我们在寻找什么,我们希望找到这些缺陷,并在我们操作电池时观察它们,”小组组长Andrej Singer说。“我们离这还很遥远,但我们可能正处于一个新发展的开端,我们可以有意地设计这些缺陷,以制造更好的储能材料。”