研究人員拉伸大型橡膠材料。圖片來源：美國佐治亞理工學(xué)院

為了使電動汽車（EVs）成為主流，它們需要成本效益高、更安全、更持久的電池，這些電池在使用過程中不會爆炸或損害環(huán)境。美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員可能已經(jīng)找到了一種有希望替代傳統(tǒng)鋰離子電池的材料：橡膠。

彈性體，或合成橡膠，由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，被廣泛用于消費產(chǎn)品和先進(jìn)技術(shù)，如可穿戴電子設(shè)備和軟機(jī)器人。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種材料被配制成3D結(jié)構(gòu)時，它作為快速鋰離子運輸?shù)某壒?，具有卓越的機(jī)械韌性，從而使電池的充電時間更長，可以走得更遠(yuǎn)。這項研究是與韓國科學(xué)和技術(shù)高級研究所合作進(jìn)行的，周三發(fā)表在《自然》雜志上。

在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，離子是由液體電解質(zhì)移動的。然而，這種電池本身是不穩(wěn)定的：即使是最輕微的損壞也會泄漏到電解質(zhì)中，導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)。安全問題迫使業(yè)界關(guān)注固態(tài)電池，它可以使用無機(jī)陶瓷材料或有機(jī)聚合物制造。

喬治-W-伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院副教授Seung Woo Lee說："大多數(shù)行業(yè)都在關(guān)注構(gòu)建無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。但它們很難制造，價格昂貴，而且不環(huán)保。"他是一個研究小組的成員，該小組發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)于其他材料的橡膠基有機(jī)聚合物。固體聚合物電解質(zhì)因其制造成本低、無毒和柔軟的特性，繼續(xù)吸引著人們的極大興趣。然而，傳統(tǒng)的聚合物電解質(zhì)沒有足夠的離子傳導(dǎo)性和機(jī)械穩(wěn)定性來保證固態(tài)電池的可靠運行。

新穎的三維設(shè)計帶來了能量密度和性能的飛躍

佐治亞理工學(xué)院的工程師們利用橡膠電解質(zhì)解決了常見的問題（鋰離子傳輸緩慢和機(jī)械性能差）。關(guān)鍵的突破是讓材料在堅固的橡膠基質(zhì)中形成三維（3D）互連的塑料晶體相。這種獨特的結(jié)構(gòu)帶來了高離子傳導(dǎo)性、卓越的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。

這種橡膠電解質(zhì)可以在低溫條件下使用簡單的聚合工藝制成，在電極表面產(chǎn)生堅固而光滑的界面。橡膠電解質(zhì)的這些獨特特性防止了鋰枝晶的生長，并允許更快地移動離子，使固態(tài)電池即使在室溫下也能可靠運行。

Lee說："橡膠因其高機(jī)械性能而被到處使用，它將使我們能夠制造廉價、更可靠和更安全的電池。更高的離子傳導(dǎo)性意味著你可以在同一時間移動更多的離子。通過增加這些電池的比能量和能量密度，你可以增加電動車的里程。"

機(jī)械工程研究生研究員Michael Lee說：“研究人員現(xiàn)在正在研究如何提高電池的性能，通過更好的離子傳導(dǎo)性增加其循環(huán)時間和減少充電時間。到目前為止，他們的努力已經(jīng)使電池的性能/循環(huán)時間有了兩次的改善。”

這項工作可以提高格魯吉亞作為電動車創(chuàng)新中心的聲譽(yù)。SK Innovation是一家全球能源和石化公司，正在資助對電解質(zhì)材料的額外研究，作為其與該研究所持續(xù)合作的一部分，以建立比傳統(tǒng)鋰離子電池更安全、能量更密集的下一代固態(tài)電池。SK創(chuàng)新公司最近宣布在佐治亞州商務(wù)市建設(shè)一個新的電動車電池工廠，預(yù)計到2023年，年產(chǎn)鋰離子電池量將達(dá)到21.5千兆瓦時。

SK Innovation下一代電池研究中心主任Kyounghwan Choi說："全固態(tài)電池可以極大地提高電動汽車的里程數(shù)和安全性。包括SK Innovation在內(nèi)的快速發(fā)展的電池公司認(rèn)為，全固態(tài)電池的商業(yè)化將成為電動汽車市場的游戲規(guī)則改變者。通過與SK Innovation和佐治亞理工學(xué)院的Seung Woo Lee教授合作的現(xiàn)行項目，人們對全固態(tài)電池的快速應(yīng)用和商業(yè)化寄予厚望。"