固态电池：具有优异离子导电性的新材料类

慕尼黑工业大学(TUM)的一个研究小组发现了一种具有高于平均水平的导电性的材料类别。这是高性能固态电池发展的决定性一步。在研究中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)进行的研究对这一发现做出了重要贡献。

未来的电池必须满足高期望：它们必须更轻、性能更好、使用寿命更长、更安全、更不容易出错。

世界各地的科学家正在使用固态技术追求这些目标：固态电池不含液体，而传统的可充电电池则在传统的可充电电池中，锂离子通过液体电解质从阳极移动到阴极，然后再返回。相比之下，固态电池中的电解质是一种既不会泄漏也不会燃烧的固体物质。此外，这种固体电解质有助于减轻电池重量，使其成为理论上的理想替代品。

“但在实践中，到目前为止可用的固态电解质，主要是氧化陶瓷或基于硫的化合物，已被证明无法完全满足预期，”TUM无机化学教授职位的Thomas Fässler教授说。

与他的团队一起，与TUMint·Energy Research GmbH，他正在寻找更高效的电解质：“问题是锂离子只能通过固体材料缓慢扩散。我们的目标是更好地了解离子传输，然后利用这些知识来提高电导率。

轻粉展现希望

他们努力的结果是一种结晶粉末，它是锂离子的高于平均水平的导体。它不含硫，而是磷、铝和相对较高比例的锂。实验室测量表明，这种以前被忽视的物质类别具有高水平的导电性。

在很短的时间内，化学家们成功地创造了大约十几种新的相关化合物，其中含有例如硅或锡而不是铝。这种广泛的新材料基础使得快速优化材料性能成为可能。

为什么这些材料是这么好的离子导体?“为了回答这个问题，晶体内部发生的过程必须变得可见，”Fässler解释说。“但这在普通实验室设备中是不可能的，因为锂原子非常轻。因此，它们不能使用X射线辐射精确定位。

中子束的更多细节

解决方案：中子束。“我们从研究堆获得的中子使得找到最轻的原子成为可能。这是因为中子与原子核相互作用，而不是像X射线辐射那样与原子壳相互作用，“监督FRM II粉末衍射仪的Anatoliy Senyshyn博士说，该衍射仪用于分析新的电解质材料。

“过去，我们已经研究了新的和多样化的固体锂离子导体家族的各种成员。我们可以使用中子衍射来可视化离子如何利用晶格中的自由空间来移动。

在新物质类别中，这些自由空间的排列方式使得离子可以在所有方向上同样很好地移动。这是晶体中发现的高度对称性的结果，可能是超离子锂电导率的原因，TUM团队现在已经能够观察到。

因此，合成的粉末是未来固态电池非常有前途的电解质候选者，Fässler说。“我们的基础研究有可能加速更高性能电池的开发。