電池在我們的日常生活中發揮著重要作用。從為智能手機供電到運行電動汽車。儘管它很重要，但當今的電池仍然有一個主要缺點。包括高成本以及火災或爆炸的風險。長期以來，所有固態電池一直被視為更安全的替代品。但由於平衡安全、效率和可負擔性方面的挑戰，進展已經放緩。現在，韓國的一個研究團隊表明，僅通過智能結構設計就可以顯著提高電池性能。無需依賴昂貴的金屬
1 月 7 日，KAIST 宣布材料科學與工程系 Dong-Hwa Seo 教授領導的研究團隊取得了突破。該項目匯集了由 Sung-Kyun Jung 教授（首爾國立大學）、Youn-Suk Jung 教授（延世大學）和 Kyung-Wan Nam 教授（東國大學）領導的研究人員。他們共同為所有使用廉價原材料的主要固態電池材料開發了新的設計方法。同時，它保持了強大的性能並降低了火災或爆炸的風險。
為什麼固體電解質更安全但更難優化？
傳統的鋰離子電池需要液體電解質來允許鋰離子在電極之間移動。所有固態電池都用固體電解質代替這種液體。這大大提高了安全性。然而，鋰離子在固體中的移動速度較慢。過去加快速度的嘗試往往依賴於昂貴的金屬或複雜的製造技術。
利用晶體化學加速鋰遷移率
為了解決這個問題，研究人員致力於改善鋰離子通過固體電解質的方式。他們的策略集中於使用“二價陰離子”，例如氧和硫。這些元素通過成為基本框架的一部分來影響電解質的晶體結構。這可以改變離子在材料內移動的方式。
該團隊通過小心地引入負價離子，將這一想法應用於低成本的鋯（Zr）基固體鹵化物電解質。因此，他們能夠精確調整材料的內部結構。這種方法被稱為“框架控制機制”，擴展了鋰離子可用的路線。並減少運動所需的能量。因此，鋰離子可以更快、更有效地穿過固體材料。
先進的工具證實了結構的改進。
為了確認這些結構變化是否按預期發揮作用，研究人員依賴於幾種先進的分析方法，包括：
- 高能同步加速器 X 射線衍射（同步加速器 XRD）
- 配對分佈函數分析 (PDF)
- X 射線吸收光譜 (XAS)
- 電子結構和擴散的密度泛函理論 (DFT) 建模。
這些技術使團隊能夠仔細檢查晶體結構如何變化。這些變化如何影響鋰離子的運動？
通過使用廉價材料可以提高效率。
測試表明，與傳統的鋯基電解質相比，向電解質中添加氧或硫可使鋰離子遷移率提高兩到四倍。這一改進表明固態電池可以達到適合實際應用的性能水平，而無需依賴昂貴的材料。
在室溫下，氧摻雜電解質的離子電導率約為1.78 mS/cm。而摻硫電解質的電導率約為1.01 mS/cm。離子電導率測量鋰離子穿過材料的難易程度。且值一般在1 mS/cm以上。這被認為足以滿足室溫下電池的實際使用。
將電池創新轉向更智能的設計
Dong-Hwa Seo 教授解釋了這項工作的更廣泛意義：“通過這項研究，我們提出了設計原則，可以同時提高使用低成本原材料的所有固態電池的成本和性能。電池的工業應用潛力非常高。”主要作者 Jae-Seung Kim 強調，這項研究凸顯了電池研究的轉變。它將注意力從選擇新材料轉移到設計更好的結構上。
支持出版和研究
該研究由共同第一作者 Jae-Seung Kim（韓國科學技術院）和 Da-Seul Han（東國大學）領導，已在一份國際期刊上發表。 自然交流 2025 年 11 月 27 日
該研究的資金由韓國國家研究基金會三星電子未來技術促進中心提供。和國家超級計算中心
