借用半导体行业的专业知识 美国能源部研究团队制造出更高性能的电池

盖世汽车讯 长期用于计算机芯片制造的涂层技术可以使电池在其使用寿命内充电更多次，并使其更容易制造。据外媒报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家已成功将该技术应用于固态电池，即由所有固体材料制成的电池。

该研究首次在含硫固体电解质粉末上演示了原子层沉积技术。电解质是在电池两个电极之间传输离子（带电粒子），将化学能转化为电能的材料。

图片来源：阿贡国家实验室

一种有前途的固态材料，但也面临挑战

与采用液体电解质的传统锂离子电池相比，固态电池具有多种潜在优势：更高的安全性、每单位体积存储更多能量以及在使用寿命内充电更多次，因此非常适合电动汽车电池。

阿贡国家实验室的研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室（The study is the first-ever demonstration of the technique, known as atomic layer deposition, on the powder form of sulfur-containing, solid electrolytes.）车辆技术办公室（Vehicle Technologies Office）的部分资助，重点研究硫银锗矿，即一类含硫的固态电解质。 硫银锗矿相对于其他固态电解质有几个优点，例如具有更高的离子电导率，因此可以更快地通过电池传输离子。而这可以转化为电动汽车更快的充电速度。硫银锗矿也更容易、更便宜地加工成最终制成电池的颗粒。

但硫银锗矿在制造方面具有诸多挑战。由于与空气高度反应，因此硫银锗矿很难在电池生产工厂中处理。此外，它们很容易与锂金属等电极材料发生反应。这些反应产生的化学物质会降低电解质/电极界面的质量。不仅如此，这些反应还会减慢锂离子的传输，降低电池性能并导致枝晶形成。枝晶是针状的锂结构，会降低电池的安全性和耐用性。

为了应对这些挑战，阿贡国家实验室的研究人员希望开发一种新方法来精确设计硫银锗矿表面的化学成分。为了实用，该方法需要易于在现实世界的电池制造设施中实施。研究人员决定采用芯片生产行业的原子层沉积。这种涂层方法涉及使用化学蒸气与固体材料表面反应形成薄膜。

领导该项目的阿贡国家实验室材料科学家Justin Connell表示：“固体电解质的表面对于电池中电解质和电极的相互作用起着至关重要的作用。这种方法使我们能够在原子水平上设计表面结构。我们相信，固态电池的性能优化需要这种精细的控制。”

涂层技术被证明是有效的

阿贡国家实验室团队使用原子层沉积来涂覆粉末形式的硫银锗矿电解质。其他研究人员此前曾使用该技术在将粉末形式加工成颗粒后对硫银锗矿进行涂覆。但阿贡国家实验室的研究人员认识到，他们必须以不同的方式解决这个问题，才能将原子层沉积集成到大规模固态电池制造中。

Connell表示：“对颗粒进行涂层很难扩大规模，因为它们很脆。此外，颗粒需要分批涂覆，而这会增加制造成本。”

研究人员加热粉末并将其暴露于水蒸气和三甲基铝中，在所有单独的电解质颗粒上产生一层薄薄的氧化铝涂层。在阿贡国家实验室的高级光子源（美国能源部科学办公室的用户设施），该团队使用了一种称为X射线吸收光谱的表征技术来确定涂层不会破坏底层银汞矿的化学结构。该技术涉及用强同步加速器X射线束照射材料，并测量X射线在材料中的透射和吸收。

在阿贡纳米材料中心（Center for Nanoscale Materials），研究人员使用两种技术来确定涂层是否与单个电解质颗粒的轮廓很好地吻合。第一种技术为扫描透射电子显微镜，使用聚焦电子束创建材料结构的图像。

第二种技术为能量色散X射线光谱法，用于评估材料中的元素。这是通过检测扫描透射电子显微镜技术中使用的电子发射的X射线来完成的。通过与电解质的轮廓很好地贴合，该涂层可以使电解质和电极之间的接触更加均匀和紧密，这对于良好的电池性能至关重要。

研究人员还发现，涂层极大地降低了粉末与空气的反应性，使粉末更容易在大型制造设施中加工。接下来，研究人员将涂层粉末压制成颗粒，并将颗粒装入实验室规模的电池中，该电池的阳极（负极）由锂金属制成。他们反复对这种电池以及另一种由未涂覆电解质制成的电池进行充电和放电，比较它们的性能。

多种涂层优势

研究小组发现，涂层显著降低了电解质与锂阳极的反应性。它还降低了电子从电解质中泄漏的速率。这很重要，因为泄漏电子会形成枝晶。

该研究的作者之一、阿贡国家实验室高级化学家Jeffrey Elam表示：“为了获得最佳的电动汽车性能，用户希望电池化学反应产生的电子（即电力）可以从电极移至汽车电机。”

研究小组观察到涂层还能使电解质的离子电导率增加了一倍。阿贡国家实验室材料科学家、该研究的主要作者Zachary Hood表示：“由于氧化铝是一种绝缘材料，会减慢电荷的移动，因此我们没有预料到电导率会出现这种改善。”

总之，涂层可以显著增加固态电池在性能开始下降之前的充电和放电次数。研究人员认为，涂层使电解质能够更好地与阳极接触——类似于水滴在干净的玻璃表面上铺展的方式。

阿贡物理学家、该研究的作者之一Peter Zapol表示：“我们认为涂层正在电解质表面重新分布锂离子，并沿着表面创造更多的空间供离子通过。这些因素可能有助于解释电导率的提高。”

该研究的成功开辟了一条新的研究路线。科学家可以将涂层技术与不同的电解质和涂层结合使用，从而有可能推动各种固态电池技术的发展。