随着世界各地都开始启用电动汽车，能够储存更多能量的新电池显得尤为“吃香”。NTNU 的研究人员发现，在寻找下一代电池的过程中，发现了一种很有前途的材料。

在扫描电子显微镜下可以看到由称为 LLZO 的氧化锂石榴石陶瓷填料制成的纳米线。图片来源： Rettenwander 等人

如今，用于智能手机和其他设备以及电动汽车的锂离子电池包含液体电解质。被称为离子的带电原子在电解质中沿一个方向移动，释放一个电子为设备供电。为了给电池充电，离子通过电解质返回并重新获得一个电子。

但是具有液体电解质的电池正在接近其理论能量密度极限。为了在不增加电池尺寸的情况下储存更多能量，研究人员正在研究固态电解质。固态电池将比液态电解质电池更安全、更稳定，因此它们也可用于心脏起搏器和可穿戴设备。

将陶瓷与聚合物混合

一种称为聚（环氧乙烷）或 PEO 的聚合物适合作为固体电解质，因为它灵活、轻便且易于加工。但有一个问题——PEO 并不擅长电解质需要做好的一件事：传导锂离子。另一方面，陶瓷材料可以很好地传导离子，但不具备聚合物的机械优势。

因此研究人员开始在聚合物中添加陶瓷粉末作为“填充物”材料。NTNU 材料科学与工程系副教授 Daniel Rettenwander 说：“我们的想法是将陶瓷颗粒放入这些聚合物中，并以某种方式享受两全其美的体验。”

事实上，许多出版物报道聚合物电解质在添加填料后能更好地传导离子，甚至表明填料形成了锂离子在材料中移动的快速通道网络。

但在发表在《能源研究前沿》杂志上的工作中，Rettenwander 及其同事发现，填料实际上根本不参与电解质中锂离子的传输。虽然对于那些寄希望于这种简单的聚合物和陶瓷组合的人来说，这听起来可能不是好消息，但这一发现可以帮助研究人员走上一条更有成效的道路，最终导致我们可以使用的电池。

Daniel Rettenwander 在他的实验室里。图片来源：Nora Statle Løndal

理解它的行为方式

Rettenwander 及其同事用不同数量的氧化锂石榴石陶瓷填料（称为 LLZO）制造了薄膜，颗粒和线的形式都只有纳米宽。然后，他们使用扫描电子显微镜观察了膜的横截面，并与奥地利莱奥本材料研究中心的 Roland Brunner 合作，使用 X 射线计算机断层扫描在微观尺度上拍摄了材料内部的快照。

将这些快照与材料特性的测量值进行比较意味着研究人员可以得出关于填料颗粒如何影响聚合物中离子行为的结论。Rettenwander 说：“我们可以理解为什么它的行为与它的行为一样。”

研究人员发现粒子和纳米线都均匀分布在整个聚合物中，并且没有形成可以快速跟踪锂离子的网络。具有更多填料的膜实际上是更差的离子导体，这支持了填料不参与离子传输的结论。

Rettenwander 说：“仅仅将填料放入膜内并不会带来任何改进。提高性能的不是陶瓷的固有特性。”

那么，为什么一些实验发现添加填料会增加导电性，如果它们实际上并没有参与离子传输呢？Rettenwander 认为，可能是聚合物本身发生的变化赋予了材料优势——从有序的晶体结构变为更加无定形、不规则的图案。

能量密度几乎可以翻倍

这并不意味着添加填料的聚合物是固态电池研究的死胡同。

Rettenwander 说：“使用填充物仍然是一个非常好的策略，但只是将填充物放入内部是不够的。你必须改善聚合物和陶瓷之间的界面才能使这些膜起作用。”

例如，他正在研究一种通过改变材料表面来帮助材料更好粘合的方法。

如果研究人员能够找到一种方法来结合两种材料的优点，那么电动汽车的固态电池可以显着减少充电停止。

Rettenwander 说：“如果你能够制造固态电池，那么你将能够几乎将能量密度提高一倍，将你的行驶距离增加两倍。”