近年來(lái)，隨著(zhù)鋰離子電池的普及，全球的鈷和鎳供應壓力不斷增長(cháng)（目前電池設計中必需的兩種金屬），并且價(jià)格飆升。據外媒報道，為了開(kāi)發(fā)新的替代性鋰基電池，減少對稀有金屬的依賴(lài)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，采用低成本過(guò)渡金屬氟化物和固體聚合物電解質(zhì)，取代貴金屬和傳統液體電解質(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(cháng)期以來(lái)，用過(guò)渡金屬氟化物制造電極，一直存在穩定性差和快速失效的問(wèn)題。對于能否把它應用于一下代電池設計，人們一直持有很大的質(zhì)疑。但是，我們已經(jīng)證明，當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出卓越的穩定性，即使在高溫狀態(tài)下也是如此。因此，完全可以用它來(lái)設計更安全、更輕量級和成本更低的鋰離子電池?！?/p>

在典型的鋰離子電池中，鋰離子通過(guò)在正負極兩個(gè)電極間流動(dòng)釋放能量。其中，正極通常是由鋰和過(guò)渡金屬構成，比如鈷、鎳和錳。電極之間的離子流動(dòng)通過(guò)液體電解質(zhì)實(shí)現。在本次研究中，研究團隊采用氟化鐵活性物質(zhì)和固體聚合物電解質(zhì)納米復合材料，制造新型正極。氟化鐵所提供的鋰容量是傳統鈷基或鎳基正極的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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出一種制造工藝，可使固體聚合物電解質(zhì)滲透到預制氟化鐵電極中。接著(zhù)，對整個(gè)結構進(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(guò)程中具有彎曲性，能夠適應氟化鐵溶脹；而且，可以與氟化鐵形成非常穩定且有彈性的界面。在以往電池設計中，使用氟化鐵會(huì )出現溶脹和大量的副反應，這一直是關(guān)鍵性問(wèn)題。

研究人員接著(zhù)測試幾種新型固態(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。值得一提的是，即使冷卻至室溫，它們的表現也超過(guò)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，當電池在華氏100度以上運行時(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)和正極結合起來(lái)，就不會(huì )出現溶解，固態(tài)電解質(zhì)可以保持非常穩定的狀態(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)，以及電池或電極結構，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發(fā)生，實(shí)現穩定的性能特征?！?/p>

末來(lái)的時(shí)間，研究人員將致力于開(kāi)發(fā)新的固態(tài)電解質(zhì)，提高其性能，以實(shí)現快速充電。并將在新的設計中，將固體和液體電解質(zhì)結合起來(lái)，使其與大型電池工廠(chǎng)采用的傳統電池制造工藝完全兼容。