由MaksymKovalenko领导的Empa研究小组正在研究未来电池的创新材料。无论是快速充电电动汽车还是低成本固定存储，每种应用都有一种有前景的材料或新颖的制造工艺。
好的电池有哪些特点?是它的容量吗?充电速度有多快?或者它的价格?Empa研究员KostiantynKravchyk表示，答案取决于电池的使用场合。在由MaksymKovalenko领导的功能无机材料小组以及Empa薄膜和光伏实验室的一部分中，这位科学家正在开发新材料，以使未来的电池更强大、更快，或者更具成本效益。
可充电电池的两个应用领域对于向可再生能源过渡至关重要。一是电动汽车;另一种是所谓的固定存储，它存储来自风能和太阳能等可再生能源的电力。电动汽车电池必须结构紧凑、重量轻、容量高且充电速度快。固定电池可能会占用更多空间，但只有尽可能便宜才具有成本效益。
该研究已发表在《细胞报告》、《物理科学》和《先进材料》上。
没有简单的任务
本质上，每个电池都由阴极、阳极和电解质组成。在传统的锂离子电池中，阳极由石墨制成，阴极材料是锂和其他金属的混合氧化物，例如钴酸锂。电解质用作锂离子从阴极到阳极并返回的传输器，具体取决于电池是否正在充电或放电。
对于电动汽车电池来说，需要高能量密度。“使用纯金属锂而不是石墨制成的阳极，我们可以在相同尺寸的电池中储存多倍的能量，”克拉夫奇克说。然而，当电池充放电时，锂并没有均匀地剥离和沉积。这会导致所谓的枝晶的形成：金属锂的分支结构，可以使电池短路。
减缓枝晶生长的一种方法是使用固体电解质。在所谓的固态电池中，固体材料层不是液体，而是将锂离子从阴极传导到阳极并返回。
对电解质材料的要求很高。“人们谈论在十到十五分钟内给电池充电，”克拉夫奇克解释道。“这需要非常高的电流密度，即使在固态电池中也会形成枝晶。”
电流密度是电流与其流过的面积的比率。另一个问题是，锂的不均匀剥离和沉积在电极和固体电解质之间的边界处产生空隙，减少了可用的接触面积并进一步增加了电流密度。
一种材料，两层
作为弗劳恩霍夫ICON(国际合作和网络)计划的一部分，Kravchyk和其他Empa研究人员现已提炼出一种有前途的固体电解质。这种材料是锂镧锆氧化物(简称LLZO)，具有高离子电导率和化学稳定性，是电池中使用的理想特性。
“我们制作了双层LLZO膜，由致密层和多孔层组成，”Kravchyk说。如果锂储存在孔隙中，锂和电解质之间会产生非常大的接触面积，并且电流密度保持较低。致密层确保不会有枝晶生长到另一个电极并导致短路。
研究人员还考虑了成本效益：他们开发了一种简单、廉价且可扩展的工艺来生产双层膜。
廉价的铁代替昂贵的钴
研究人员在涉及可再生能源固定存储的项目中采取了截然不同的方法。“固定存储最重要的指标是价格，”克拉夫奇克解释道。目前用于固定存储的锂离子电池相对昂贵。研究人员继续说道：“这就是为什么大多数固定存储需求仍然可以通过抽水蓄能水力发电技术来满足，尽管与电池相比，它的能量密度非常低。”
固定式锂离子电池最大的成本驱动因素之一是用于制造它们的材料。除了锂之外，阴极还需要钴和镍。为了寻找更好的阴极材料，研究人员很快找到了地壳中最常见的元素之一：铁。
对于他们的阴极，研究人员将廉价的金属与氟化物以羟基氟化铁(III)的形式结合在一起。“以前制造基于氟化铁的电池的方法依赖于化学转化，”克拉夫奇克解释道。这涉及将铁离子转化为金属铁。“这个过程不是很稳定，”研究人员表示。“理想情况下，离子只是从一个极移动到另一极，而不经历重大的结构转变。”
这对研究人员来说是一个挑战，因为氟化物对于电子和锂离子的导电性都很差。但Kravchyk的团队找到了解决方案：使用简单且廉价的工艺，他们赋予了羟基氟化铁(III)特殊的晶体结构。这种所谓的烧绿石结构内部含有传导锂离子的通道。
“我们的电池能够以低得多的价格实现类似的性能，”克拉夫奇克说。“我们感到非常惊讶的是，到目前为止几乎没有人探索过开发这种有前景材料的低成本合成方法。”