据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们利用聚合物制成坚固而有弹性的薄膜，将加速下一代固态电池的问世，从而推动了电动汽车动力的发展。这种动力由柔性、耐用的固态电解质片实现。

图片来源：ORNL

这些电解质片可能允许未来大规模生产具有更高能量密度电极的固态电池。通过分离负极和正极，此类电解质片可以防止危险的电气短路，同时为离子运动提供高传导路径。

与目前使用液体电解质的电池相比，这些成果预示着更高的安全性、性能和能量密度，因为液体电解质易燃、化学反应性强、热不稳定且容易泄漏。

“我们的成果至少可以将能量存储量增加一倍，达到每公斤500瓦时，”ORNL的Guang Yang表示。“开发30微米或更薄的固态电解质膜的主要动机是将更多的能量装入锂离子电池中，这样您的电动汽车、笔记本电脑和手机就可以在需要充电之前运行更长时间。”

这项研究发表在期刊《ACS Energy Letters》上，通过优化聚合物粘合剂以用于硫化物固态电解质。目前的固态电解质使用一种塑料聚合物来传导离子，但其电导率远低于液体电解质。有时，聚合物电解质会加入液体电解质来提高性能。

硫化物固态电解质的离子电导率与目前锂离子电池中使用的液体电解质相当。“这非常有吸引力，”Yang表示。“硫化物化合物创造了一条导电路径，使锂在充电/放电过程中可以来回移动。”

研究人员发现，聚合物粘合剂的分子量对于制造耐用的固态电解质薄膜至关重要。用轻质粘合剂制成的薄膜，其聚合物链较短，缺乏与电解质材料保持接触的强度。相比之下，用较重粘合剂制成的薄膜，其聚合物链较长，结构完整性更高。此外，制造良好的离子导电膜所需的长链粘合剂较少。

“我们希望尽量减少聚合物粘合剂的使用，因为它不传导离子，”Yang表示。“粘合剂的唯一作用是将电解质颗粒锁定在薄膜中。使用更多的粘合剂可以提高薄膜的质量，但会降低离子传导。相反，使用较少的粘合剂可以提高离子传导，但会损害薄膜质量。”

在纳米相材料科学中心（位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施），Yi-Feng Su和Wan-Yu Tsai进行了扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析，以表征薄膜的元素组成和微观结构。同样来自ORNL的Sergiy Kalnaus使用纳米压痕测量其表面的局部应力和应变，并应用理论来理解结果。

SLAC国家加速实验室的Xueli Zheng和Swetha Vaidyanathan在斯坦福同步辐射光源进行了测量，以揭示阴极粒子的形态。

这些先进的表征技术对于检查硫化物固态电解质片的复杂细节至关重要。“通过了解这些细节，我们能够增强电解质有效传导离子和保持其稳定性的能力，”Yang表示。“这种详细的分析对于开发更可靠、更高效的固态电池至关重要。”

该团队将制造一种可以将薄膜集成到下一代负极和正极中的设备，以便在实际电池条件下对其进行测试。然后，他们将与工业界、学术界和政府的研究人员合作，开发和测试该薄膜在其他设备中的应用。