上圖為靈活的鋰離子導電陶瓷纖維織物的示意圖,這種物質保留了原始織物模板的物理特性。而其獨特的結構使得鋰離子能夠通過連續纖維,固體離子導體的高表面/體積比以及多級孔隙率從而實現遠程傳輸。
上圖中(a)為經預處理的紡織品模板的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像; (b)用前體溶液浸漬的模板的SEM圖像; (c)石榴石紡織品的SEM圖像; (d)三維激光掃描的石榴石織物平整度模型; (e)表征的是石榴石紡織品的靈活性,可加工性和耐溶劑性。
用于鋰硫電池的3D石榴石織物電極架構:(a)在致密支撐電解質上燒結的石榴石織物; (b)硫陰極滲透石榴石織物電極結構的SEM圖像。
先進的鋰離子電池徹底改變了電子和傳輸,為主機提供了移動電源。但是,盡管鋰離子電池取得了成功,但由于其所依賴的易燃液體電解質會有引發著火的可能性。所有使用固體電解質的制備的固態電池是一個很好的解決方案。
據報道, 現在,馬里蘭大學的一個團隊設計了一種基于鋰離子傳導陶瓷紡織品的新型固態電池[相關論文為Gong等,Materials Today(2018),doi:10.1016 / j.mattod.2018.01.001]。
負責該研究的Eric D. Wachsman解釋道:“我們使用簡單的商業織物作為模板制造鋰離子導電石榴石纖維墊織物,然后用固體聚合物電解質填充纖維之間的孔隙空間”。
其中,晶體石榴石樣結構(化學式為Li7La3Zr2O12)是最有前途的實心導體之一,因為它們的立方結構可快速傳導鋰離子,并從鋰金屬到高壓陰極具有高的化學穩定性。為了制造石榴石“紡織品”,研究人員簡單地將纖維素基紡織品浸泡在石榴石前體溶液中,然后在不同溫度的爐中進行煅燒。燒結過程燒掉紡織品模板,留下石榴石,其保留了織物的結構特征,包括由相互連接的孔隙分開的交織纖維。孔可以容易地用鋰離子/聚合物混合物浸漬。石榴石紡織物同時為鋰離子提供三維導電框架,并為聚合物電解質提供物理強大的支撐。
Wachsman指出:“這種結構能使離子快速傳導來通過連續陶瓷纖維,而且同時使用液態電解質的傳統電池,由于在操作過程中會形成鋰枝晶,所以液態電解質容易造成短路現象。而聚合物電解質由于它們很硬所以有助于阻止枝晶的形成,而陶瓷電解質更硬,因此在阻止枝晶形成的作用上更有效。
Wachsman說:“雖然聚合物電解質有助于阻止枝晶的形成,但是當它們與鋰金屬接觸時,導電率低而且化學性質不穩定。相比之下,石榴石陶瓷具有更高的導電性并且與鋰金屬接觸穩定,但是唯一的缺點是不靈活。我們的混合提供了最好的性能。”
研究人員報告說,用石榴石織物制成的鋰硫電池構建的原型電極中硫負荷很高可以達到10.8 g / cm2,其循環穩定性也超過了500小時。
Wachsman和他的團隊正在推動這項技術的發展,目前正致力于減少紡織品的稀釋劑,以減少對離子傳輸的抵抗力,從而優化致密化過程以增加石榴石相的體積分數。 |