韩国研究人员研发出突破性设计策略 推动固体电池发展

作为新一代电池，全固态电池具有比现有锂离子电池更高的稳定性和容量。这类电池采用不可燃固体正极和电解质，在高温或外部冲击环境下可大幅降低爆炸或起火风险，有助于提高能量密度（是锂离子电池的两倍），或将改变电动汽车和储能设备市场的发展趋势。然而，固体电解质的离子导电性低、界面电阻高，且易于降解，这会影响电池的性能和寿命，并使其商业化应用受限。

裸露晶面的立方结构（图片来源：techxplore）

据外媒报道，韩国科学技术研究院（KIST）与成均馆大学的研究人员合作研究出突破性材料设计策略，可以克服固体电解质和正极之间界面电阻高的问题。

两种不同物质的重合界面上会出现独特的物理现象。在物质本体内，邻近的原子形成稳定的键。与之不同的是，由于一侧没有相同物质的相邻原子，界面上的原子很可能形成不同的原子排列。全固态电池具有固体电极-固体电解质界面，在电池中会出现扰乱原子排列并限制电荷转移的现象，从而新增电阻并加速降解。为了解决这一问题，目前正在研究在正极和电解质表面涂覆适当材料或插入中间层。然而，这将进一步新增成本，并降低电池的整体活性和能量密度。

为了解决这些问题，KIST和成均馆联合研究团队首先系统性确定直接影响固体界面的材料晶体结构。利用外延薄膜技术（一种半导体制造技术），沿基层晶体形成方向生成薄膜，在不同条件下，获得具有不同裸露晶面的正极薄膜。在不考虑颗粒大小和接触面积等因素的情况下，详细分析裸露晶面对固体电解质与正极材料之间界面的影响。

结果显示，裸露晶面的紧密包覆结构，可以阻止正极材料中的过渡金属泄漏至电解液中，从而提高全固态电池的稳定性。此外，当晶体界面与电子运动方向平行时，离子和电子可以不受阻碍地沿晶体运动，从而减小电阻，提高容量输出。

KIST的研究人员Sang-baekPark博士表示：“通过新增晶面密度及调整晶体之间的界面方向，可以改善正极材料，确保高性能和稳定性。本项研究探讨全固态电池的降解机理。我们计划在此基础上，解决固体电解质和固体正极界面的不稳定性问题，改进离子-电荷交换特性，加速开发全固态电池材料。”