由新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系助理教授Pieremanuele Canepa领导的团队发现了一种新的钠离子基固体电解质组合物，可以实现电池的超快充放电。

▲来自新国大设计与工程学院材料科学与工程系的研究团队,左起:研究工程师Aaron Tieu Jue Kang、研究员Yuheng Li、助理教授Pieremanuele Canepa、研究员Zeyu Deng。

最近，该团队的这项研究发表在了国际权威期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上。

Canepa助理教授谈到：“传统且广泛使用的锂离子电池有着安全问题的缺陷，特别是因为它们所含液体电解质的高可燃性。”

“我们面临的挑战是需要找到更安全的固态电池替代品，而且这种替代品还要在充电速度、寿命和潜在充电能力方面具有竞争力。”

更安全且高容量的电池

研究人员普遍认为，使用不易燃的陶瓷材料——被称为固体电解质——来制造全固态电池是生产更安全、容量更大的电池的最佳前景，因为这些电池需要满足低碳未来的能源需求。

然而，开发出合适的陶瓷材料成分的难点在于，它要能够提供与商用锂离子电池的易燃液体电解质相竞争的性能。

对此，该研究团队开发的新型固态成分使用了一类被称为NASICONs(或钠超离子导体)的固体电解质。大约在40年前，NASICONs由Hong和2019年诺贝尔化学奖得主Goodenough首次发现。

除了更安全之外，使用钠的电池还有一个额外的好处，那就是更便宜和更容易生产。

Canepa助理教授表示：“锂本身就是一种相当稀有的元素，世界上大部分锂都来自少数几个地方——主要是智利、玻利维亚和澳大利亚。然而，使用依赖钠的电池效率要高得多，因为钠可以很容易、甚至干净地提取——即使在新加坡这样的小地方也是如此。”

▲Canepa助理教授正在将一个NASICON样品装入x射线衍射仪中。

运用前沿方法

Canepa助理教授的团队采用了一种自下而上的方法——首先使用高性能超级计算机和该团队开发的新算法开发了NASICON陶瓷成分的理论原子尺度模型。

然后，由位于法国亚眠的法国国家科学研究中心Réactivité et Chimie des Solides实验室的Masquelier教授团队对设计的成分物进行了实验合成、表征和测试。此外，在新加坡国立大学和位于德国Jülich的能源与气候研究所测量了新NASICON组分中的离子运动速度。

Canepa助理教授表示：“我们使用的方法使研究人员能够加速开发和优化用于全固态电池的新型固体电解质，这对实现更安全、功率密度更高的电池至关重要。”

“我们相信，这种先进的方法将为开发下一代清洁能源存储技术发挥关键作用。”

▲研究工程师Aaron Tieu Jue Kang和研究员Zeyu Deng正在低温探测器中装载NASICON。

目前，该团队正在进行下一阶段研究——他们将专注于开发使用NASICON陶瓷的全尺寸固态电池，并演示其充放电的性能。

Canepa助理教授负责领导新加坡国立大学的Canepa研究实验室，该实验室利用超级计算机的力量和先进的模拟算法，推动清洁能源转化和存储技术的不断发展。

Canepa实验室对全固态电池的研究

在一项相关研究中，Canepa实验室的研究人员发现了全固态电池发展中的一个关键挑战：碱金属阳极和固体电解质之间的接口通常是不稳定的，这也是电池故障的来源。

这种接口的稳定性取决于在边界处形成的化学性质不同的夹层的性质，这种夹层被称为固体电解质界面。

最近，他们在《PRX能源》(PRX Energy)杂志上发表了一项研究——由研究员Yuheng Li领导的团队研究了锂-金属阳极和一种著名的固体电解质之间的电池界面，并在该界面上形成了一种自我限制和稳定的状态。

▲Yuheng Li研究员领导了全固态电池的发展研究：碱金属阳极和固体电解质之间的界面。

为了了解这种稳定性的原因，研究人员使用原子尺度仿真来模拟界面相的电子电导率。结果他们发现，因为界面是电子绝缘性的，所以阻止了自身的逐步形成并稳定了界面。

该团队表示，他们的发现为稳定的电池接口提供了设计指南，这将有助于加速安全和高性能全固态电池的商业化发展。