研究人员探讨厚电极构成对电化学反应的影响 以设计更好的固态电池

为了提高电动汽车的功率、效率和安全性，研究人员需要开发更好的电池。

全固态锂电池（SSB）采用固态电解质，具有不易燃性，在较高的温度下更加稳定，比使用电解液的传统锂离子电池更加安全。另外，SSB具有更高的能量密度，体积更小、更耐用，可用于便携式电子产品和其他应用。

据外媒报道，最近，波士顿东北大学（Northeastern University）和美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究团队对厚电极构成如何影响SSB中的电化学反应进行了测试。该团队采用高级光子源（APS）的资源，这是美国能源部位于阿贡的科学办公室用户设施。

研究人员将电池比作三明治，其中包括分别位于两侧的正、负极，以及中间的隔膜和电解液。当电池提供电力时，锂离子通过电解液从负极流向正极。SSB不需使用传统隔膜，而是通过固态电解质隔开正负极，因此需要较厚的正极。

在这项研究中，该团队评估由两种材料构成的厚正极，包括一种名为LPSC的硫化物固体电解质，以及NMC（镍、锰、钴）正极活性材料（CAM）。研究人员改变这两种材料构成，一些电池中包括80% CAM和20% LPSC，其他一些电池中包括70% CAM和30% LPSC，或者40% CAM和60% LPSC。然后，他们在APS光束线6-BM-A上使用X射线成像和散射来测量正极和固态电解质中的六个切片。

研究负责人Joshua Gallaway表示：“研究人员将正极分成片，希望所有的薄片都能发挥同样的作用。”实际上，改变正极的构成或厚度，可以改变电化学反应发生的位置。

研究人员对电池中的电化学反应进行了表征。APS物理学家Okasinski表示：“人们研究电池时，经常测量两端的功率。但是，中间有一堆复杂的结构决定了电池的性能。使用X线束穿透电池材料，研究人员可以非破坏性研究电池中各个部分的性能。”

结果显示，正极构成对电化学反应的发生过程具有重大影响。例如，在具有80% CAM正极的SSB中，最靠近负极的正极片首先发生反应，最远的薄片反应最慢。然而，在具有80% CAM正极的SSB中，最远的薄片首先发生反应，最近的薄片最后反应。Gallaway表示：“反应高度不均匀”，可能导致电池材料更快地降解。

研究人员表示，为了设计更好的电池，探讨电池内发生的反应是重要一步。这些电池可用于电动汽车、便携式电子产品和其他应用，“全固态电池的具体设计将决定其应用领域，以及未来的优化方向。”