研究人员正在通过开发固态替代锂离子电池来增强电池的安全性和效率。这些电池提供了更好的能量效率和安全性，但一个主要挑战是在固体电解质和阴极的交界处形成的相界面层。这个超薄层阻碍了锂离子和电子的移动，增加了电阻并降级了电池性能。
从电动车到无线耳塞，传统的锂离子电池为我们的日常生活提供动力，因为它们充电速度快，能量存储丰富。然而，它们依赖一种称为液体电解质的溶液，如果受到损坏或过热，可能会起火。
密苏里大学的研究人员可能找到了一个解决方案。助理教授马蒂亚斯·扬及其团队正在研究如何使用固体电解质而不是液体或胶体来制造固态电池，这样更安全且能效更高。
扬表示：“当固体电解质接触阴极时，它会反应并形成一个大约100纳米厚的相界面层——这比单根人类头发的宽度小1000倍。”他在密苏里大学的工程学院和文理学院有联合任职。“这个层阻止了锂离子和电子的轻松移动，增加了电阻并损害了电池性能。”
理解固态电池这一问题及如何克服它，困扰了科学家们超过十年。
扬的团队通过更好地理解根本原因来解决这一问题。
研究人员利用四维扫描透射电子显微镜（4D STEM）研究了电池的原子结构，而无需将其拆解——这是该领域的一项革命性突破。这一新颖过程使他们能够对电池内部发生的化学反应有了基础的理解，最终确定相界面层是罪魁祸首。
潜在解决方案
扬实验室专注于通过一种称为氧化分子层沉积（oMLD）的气相沉积过程形成的薄膜。现在，他计划测试他的实验室薄膜材料是否能够形成保护涂层，以防止固体电解质和阴极材料相互反应。
他说：“涂层需要足够薄以防止反应，但又不能厚到阻碍锂离子的流动。我们的目标是保持固体电解质和阴极材料的高性能特性。我们的目标是将这些材料一起使用，而不牺牲它们的性能以便于兼容。”
这种精心设计的纳米级方法将帮助确保这些材料无缝协作——使固态电池更接近现实。
题为“通过4D-STEM理解固态锂离子电池中的阴极-电解质界面形成”的论文已发表在《先进能源材料》上。共同作者包括密苏里大学的Nikhila C. Paranamana、Andreas Werbrouck、Amit K. Datta和Xiaoqing He。
