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陶瓷“纺织品”赋予固态电池灵活性

文章来源：未知更新时间：2018-03-06 09:33:52

上图为灵活的锂离子导电陶瓷纤维织物的示意图，这种物质保留了原始织物模板的物理特性。而其独特的结构使得锂离子能够通过连续纤维，固体离子导体的高表面/体积比以及多级孔隙率从而实现远程传输。

上图中（a）为经预处理的纺织品模板的扫描电子显微镜（SEM）图像; （b）用前体溶液浸渍的模板的SEM图像; （c）石榴石纺织品的SEM图像; （d）三维激光扫描的石榴石织物平整度模型; （e）表征的是石榴石纺织品的灵活性，可加工性和耐溶剂性。

用于锂硫电池的3D石榴石织物电极架构：（a）在致密支撑电解质上烧结的石榴石织物; （b）硫阴极渗透石榴石织物电极结构的SEM图像。

先进的锂离子电池彻底改变了电子和传输，为主机提供了移动电源。但是，尽管锂离子电池取得了成功，但由于其所依赖的易燃液体电解质会有引发着火的可能性。所有使用固体电解质的制备的固态电池是一个很好的解决方案。

据报道，现在，马里兰大学的一个团队设计了一种基于锂离子传导陶瓷纺织品的新型固态电池[相关论文为Gong等，Materials Today（2018），doi：10.1016 / j.mattod.2018.01.001]。

负责该研究的Eric D. Wachsman解释道：“我们使用简单的商业织物作为模板制造锂离子导电石榴石纤维垫织物，然后用固体聚合物电解质填充纤维之间的孔隙空间”。

其中，晶体石榴石样结构（化学式为Li7La3Zr2O12）是最有前途的实心导体之一，因为它们的立方结构可快速传导锂离子，并从锂金属到高压阴极具有高的化学稳定性。为了制造石榴石“纺织品”，研究人员简单地将纤维素基纺织品浸泡在石榴石前体溶液中，然后在不同温度的炉中进行煅烧。烧结过程烧掉纺织品模板，留下石榴石，其保留了织物的结构特征，包括由相互连接的孔隙分开的交织纤维。孔可以容易地用锂离子/聚合物混合物浸渍。石榴石纺织物同时为锂离子提供三维导电框架，并为聚合物电解质提供物理强大的支撑。

Wachsman指出：“这种结构能使离子快速传导来通过连续陶瓷纤维，而且同时使用液态电解质的传统电池，由于在操作过程中会形成锂枝晶，所以液态电解质容易造成短路现象。而聚合物电解质由于它们很硬所以有助于阻止枝晶的形成，而陶瓷电解质更硬，因此在阻止枝晶形成的作用上更有效。

Wachsman说：“虽然聚合物电解质有助于阻止枝晶的形成，但是当它们与锂金属接触时，导电率低而且化学性质不稳定。相比之下，石榴石陶瓷具有更高的导电性并且与锂金属接触稳定，但是唯一的缺点是不灵活。我们的混合提供了最好的性能。”

研究人员报告说，用石榴石织物制成的锂硫电池构建的原型电极中硫负荷很高可以达到10.8 g / cm2，其循环稳定性也超过了500小时。

Wachsman和他的团队正在推动这项技术的发展，目前正致力于减少纺织品的稀释剂，以减少对离子传输的抵抗力，从而优化致密化过程以增加石榴石相的体积分数。

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