新的電池材料為全固態電池的發展提供了希望。在尋求完美電池的過程中，科學家們有兩個主要目標：創造一個可以儲存大量能量的設備，並做到足夠安全。許多電池含有液體電解質，而液體電解質是潛在的易燃物。因此，完全由固體成分組成的固態鋰離子電池對科學家的吸引力越來越大，因為它們提供了一個誘人的組合，即更高的安全性和更高的能量密度，也就是電池在一定體積下可以儲存的能量。
來自加拿大滑鐵盧大學作為總部位於美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的聯合儲能研究中心（JCESR）的研究成員已經發現了一種新的固體電解質，它具有幾個重要的優勢。
這種電解質由鋰、鈧、銦和氯組成，能很好地傳導鋰離子，但電子傳導性較差。這種組合對於創造一種全固態電池是至關重要的，這種新設計的電池在高電壓（4伏以上）下充放電一百多次，在中等電壓下執行數千次都不會有明顯的容量損失。電解液的氯化物性質是其在4伏以上工作條件下的穩定性的關鍵，這意味着它適用於構成當今鋰離子電池主流的典型正極材料。
圖中所示的氯基電解質正在為固態鋰離子電池提供更好的性能。圖片來源：Linda Nazar/滑鐵盧大學
滑鐵盧大學化學系傑出研究教授、JCESR的長期成員Linda Nazar說：”固態電解質的主要吸引力在於它不會起火，而且可以有效地放置在電池單元中，我們很高興能夠展示穩定的高電壓下運行。”
目前，固態電解質的升級瓶頸主要集中在硫化物上，而硫化物在2.5伏以上會氧化和降解。因此，它們需要在運行電壓超過4伏的陰極材料周圍加入絕緣塗層，這損害了電子和鋰離子從電解質中移動到陰極的能力。對於硫化物電解質，一直以來的難題是：想在電子上將電解質與陰極隔離，以便它不被氧化，但仍然需要陰極材料的電子傳導性。
雖然Nazar的研究小組不是第一個設計出氯化物電解質的人，但他們在之前的研究工作的基礎上，決定將一半的銦換成鈧，這被證明是在降低電子和提高離子導電性方面的一個重大進步。”氯化物電解質已經變得越來越有吸引力，因為它們只在高電壓下氧化，而且有些與我們擁有的最好的陰極在化學上兼容，”Nazar說。”最近已經有一些這樣的報道，但我們設計的一個具有明顯的優勢。”
離子導電性的一個化學關鍵在於該材料的縱橫交錯的三維結構，稱為尖晶石結構。研究人員必須平衡兩個相互競爭的願望：在尖晶石上裝載儘可能多的攜帶電荷的離子，但也要為離子的移動留出位置。Nazar說：”你可以把它想成是試圖舉辦一場舞會–你希望人們來，但你不希望它太擁擠。”理想的情況是尖晶石結構中一半的位點被鋰佔據，而另一半保持開放，但她解釋說這種情況很難被設計出來。
除了鋰的良好離子傳導性之外，Nazar和她的同事們還需要確保電子不能輕易地通過電解質移動，以觸發其在高電壓下分解。”想象一下一個跳房子的遊戲，”她說。”即使你只想從第一個方格跳到第二個方格，如果你能創造一堵牆，使電子（在我們的例子中）難以跳過去，這就是這種固體電解質的另一個優勢。”目前還不清楚為什麼電子傳導性比以前報道的許多氯化物電解質要低，但它有助於在陰極材料和固體電解質之間建立一個乾淨的界面，這一事實在很大程度上維持陰極中即使有大量活性材料下的穩定性能。
一篇基於該研究的論文《氯化物固體電解質促成的高面積容量、長循環壽命的4V陶瓷全固態鋰離子電池》出現在1月3日的《自然-能源》網絡版上。