超稳定的石榴石陶瓷可能是高能锂电池的理想选择

能源部橡树岭国家实验室的科学家发现石榴石材料具有优异的性能，可以开发更高能量的电池设计。

ORNL领导的团队使用扫描透射电子显微镜对原子级的一种名为LLZO的立方石榴石材料进行观察。研究人员发现该材料在一系列水性环境中具有高度稳定性，使该化合物成为新电池配置中的一个有前途的组成部分。

研究人员经常寻求通过使用提供最高已知理论容量的纯锂阳极和可以快速传输锂的水性电解质来提高电池的能量密度。ORNL科学家认为LLZO是理想的分离材料，这是至关重要的。

“许多新型电池采用这两种功能[锂阳极和含水电解质]，但如果将两者整合到一个电池中，就会出现问题，因为水与锂金属直接接触时会产生很大的反应，”ORNL博士后助理程马说。 ，该团队研究的第一作者发表于Angewandte Chemie。“反应非常剧烈，这就是为什么你需要锂的保护层。”

电池设计者可以使用固体电解质隔板来屏蔽锂，但它们的选择是有限的。即使是主要的分离器(称为LAPT或LISICON)，在正常的电池工作条件下也会发生故障。

“研究人员多年来一直在寻找合适的固体电解质隔板材料，”该研究的主要作者，ORNL的Miaofang Chi说道。“对这类材料的要求非常严格。它必须与锂阳极兼容，因为锂是活性的，而且它必须在很宽的pH范围内保持稳定，因为你可以有碱性环境 - 尤其是锂空气电池。“

研究人员使用原子分辨率成像技术监测样品浸入一系列水溶液后LLZO的结构变化。该团队的观察表明，该化合物在中性和极端碱性环境中随时间保持结构稳定。

“即使pH值高于14，这种固体电解质隔膜仍保持稳定，”马说。“它为电池设计者提供了更多选择水溶液和阴极电解液的选择。” 阴极电解液是靠近阴极的电解质部分。

例如，在锂 - 空气电池中，研究人员先前曾试图通过稀释水溶液来避免分离器的降解，这只会使电池变得更重和更笨重。使用这种新型固体电解质隔膜，不需要稀释含水电解质，因此间接增加了电池的能量密度。

高能电池需要电气化运输和电网储能应用，导致研究人员探索超出锂离子技术极限的电池设计。

研究人员打算通过评估LLZO石榴石在运行电池中的性能来继续他们的研究。合着者是ORNL的成都梁，Karren More，Ezhiylmurugan Rangasamy和密歇根州立大学的Jeffrey Sakamoto。该研究发表为“在水溶液中可逆Li + / H +交换时，锂离子导电固体电解质的优异稳定性”。

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