具有高度鋰離子傳導性之有機分子結晶

 

刊登日期:2020/12/15
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日本靜岡大學與東京工業大學發表開發了一項在室溫環境下的鋰離子傳導性更高,且在低溫環境也具有高鋰離子傳導性的「有機分子結晶」,在-20℃時的傳導度是過去的100倍左右,未來可望應用在寒冷地區式樣車搭載之全固態電池的固體電解質用途。

研究團隊為了開發新固體電解質,而將目光投向結晶格子中分子呈現規則排列的「分子結晶(結晶性有機物)」,透過調整構成要素之「鋰鹽」、「有機分子」的組合,或是適切選擇反應比,就可建構出由分子形成的離子傳導路徑。此外,由於分子結晶具有適度的柔軟性,因此在全固態電池的電解質與電極之間可以形成良好的界面。

研究團隊在過去的研究中,確認「鋰周邊相互作用的低減」、「鋰與鋰之間距離的短縮」及「空缺配位的存在」是高鋰離子傳導性分子結晶材料設計的重要關鍵。此次則是採用了(LiFSA:Li{N(SO2F)2})與(SN:NCCH2CH2CN)做為組成要素。

研究團隊將LiFSA與SN在氬氣(Ar)環境下,以莫耳比(Mole Ratio)1:2進行混合,並持續加熱至變成均一的熔化液。接著再將Li(FSA)(SN)2加熱後得到的熔化液冷卻至59.5℃的熔點以下之後會再度結晶化,進而形成與鑽石構造相近之3次元架構。此過程即顯示在製作蓄電池時,新材料能以熔化液的狀態進行利用,而電池動作時則能成為固體電解質予以利用。

將Li(FSA)(SN)2單結晶粉碎後加壓成型製成顆粒,並以交流阻抗法評估其離子傳導性,確認在室溫條件時(30℃)的離子傳導性為10-4Scm-1,低溫條件下(-20℃)也出現10-5Scm-1的極高數值。此外,離子傳導的活化能(Ea)為28kJmol-1,離子傳輸率則(tLi)是0.95,證明新材料具有與硫化物類陶瓷電解質相當的特性。

研究團隊也以Li(FSA)(SN)2做為固體電解質製作了薄膜型全固態電池。製作過程是先將Li(FSA)(SN)2加熱後得到的熔化液滴落於做為正極的LiCoO2薄膜上。接著再將做為負極的金屬鋰靜置於滴落的Li(FSA)(SN)2熔化液上。自然放冷至形成結晶化後,就製作出以Li(FSA)(SN)2為固體電解質的全固態電池。

將此薄膜全固態電池進行充放電試驗後結果顯示,雖然放電容量隨著循環次數減少,但第100次循環的放電容量仍維持在初期放電容量的90%。研究團隊今後將進一步提高分子結晶電解質的特性,期將分子結晶具有的物性特徵反應於固體電解質的新機能上。


資料來源: https://eetimes.jp/ee/articles/2011/10/news027.html
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