制約鋰電池工業應用的主要阻礙在于安全性。因為電池中的液體有機電解質高度易燃，并且容易泄漏；另外，電池需要依賴熱性能和機械性能都不穩定的電極分離器。雖然固態電解質表現出改善鋰電池安全性能的潛力，但是，這種電解質與電極接觸不良，離子電導率低，使電池的電導率和性能表現不佳。

 

 

(圖源：A*STAR官網)

 

NBL研究小組負責人Jackie Y. Ying教授表示：“由液體和固體組成的混合準固體電解質，稱得上是一種實用的折衷方案，既能使電池保持安全性，又能實現良好的性能。然而，固體元件的高電阻，對電池性能的影響很大。為了克服這一問題，我們重新構建固體組件的微觀結構。我們的新方案既能解決電解液的泄漏問題，也具有穩定的熱性能和機械性能。”

 

NBL研究團隊設計出一種混合準固態電解質，將Li7La3Zr2O12 （LLZO）薄片制成可以吸收液體電解質的多孔膜。該團隊還開發了制備LLZO薄片的新方法，用于構建電解質框架，并將這種制作3D框架的一步法，命名為“紙杯蛋糕法”。

 

研究人員青睞LLZO材料，是因其離子電導率高，而且具有優異的化學和電化學穩定性。受益于非剛性結構，這種電解質可與電極保持良好接觸，并且在操作和電池組裝過程中，不易開裂，有利于提高電池的安全性和性能。另外，NBL半固態電解質能在較大電壓范圍內保持穩定，與不同的鋰電池電極材料兼容，包括高壓正極。

 

采用NBL新型電解質制成的鋰硫電池，表現出高容量、快速充放電能力，而且可以抑制多硫化物穿梭，電池性能穩定。在試驗過程中，新型電解質在1.5 mg/cm2的負載密度下，可實現高倍率性能（1和2C分別為~515 mAh/g和~340 mAh/g）。對于鋰硫混合準固體電池來說，這是目前所能達到的最佳性能之一。

 

Ying教授說：“我們發現，此類3D片層架構對于提升電池性能至關重要。此外，在極端溫度下，我們的系統表現出優異的穩定性。結果表明，我們的片基結構擁有巨大的潛力，可以作為其他半固態鋰電池的框架。”

 

NBL團隊正在開發可實現商業化的新型鋰離子、鋰硫和鋰固態電池。