日本東京工業大學研發新技術——無鍺固態電解質

據外媒報道，東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）的研究人員研發了一項新技術方案——無鍺固態電解質，可降低固態鋰電池的成本，并致力于將該項技術應用到電動車、通信及其他行業中。

無鍺固態電解質

該研究團隊在在美國化學會（ACS）期刊——《材料化學（Chemistry of Materials）》上發表了論文，其技術方案為：采用錫與硅替代固態電解質內的鍺（germanium）元素，因為上述兩項材料的化學穩定性更強。相較于液態電解質，新材料提升了鋰離子的導電率。在談論其研究成果時，Ryoji Kanno與他的同事表示：“這款固態電解質不含鍺，未來或許所有固態電池都會采用該電解質。”

配有固態電解質（SEs）的全固態電池系統有望角逐新一代電池。據估計，該類電池所能提供的電量大、能源密度高、性能穩定、安全性能也有所提高。硫化物基鋰離子導體（Sulfide-based lithium-ion conductors）的導電性高、電化學窗口（也有譯作：“電位范圍”，electrochemical windows）及機械性能也不錯。為此，目前許多機構都在大力研發固態電解質。

Li10GeP2S12（LGPS）是結晶硫電解質產品系列的新成員，其導電性為1.2 × 10−2 S cm−1，可媲美有機液態電解質（organic liquid electrolytes）。全固態電池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS電解質，其充放電性能相當出色。然而，鍺元素價格相對較貴，或將限制LGPS材料的廣泛應用。

在設計鋰離子導體時，晶體結構類型也是一項重要因素。若不同材料的結構類型相近，且固體的導電性高，那么新材料的導電性能就會更好。LGPS類結構的鋰離子擴散率高。未來，硅基及錫基的無鍺材料均可能被用作為固態電解質并得到實際應用。

新材料的原子排布被命名為LSSPS。新款無鍺材料采用的結果為Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4。

全固態電池的優勢

相較于采用鋰離子導電液體的常見鋰離子電池，未來的全固態電池擁有以下優勢：安全性及可靠性得到提升，儲能量較高、使用壽命更長。

超離子導體（superionic conductors）——固態晶體（solid crystals）的研究發現提升了鋰離子的移動速率，進而促進這類電池的研發進展，但這款前景較好的設計卻一度依賴于對稀有金屬鍺的應用，由于其價格過于昂貴，無法實現大規模應用。

Kanno表示，由于化學穩定性高且易于裝配，這款新材料提升了對固態電解質進行精細調整的可能性，進而滿足各類工業需求及消費需求。

2011年，Kanno及其團隊成員與豐田汽車、日本的高能加速研究機構（KEK）開展合作，在發表的論文中引入了結構為Li10GeP2S12 (LGPS)的固態電解質。該材料在純固態電池研發競爭中占據了先手，該團隊還基于LGPS結構研發其他的固態電解質并取得了成效。

優化LGPS框架結構提升性能

在最近發布的一篇論文中，研究人員保留了相同的LGPS框架結構，對錫、硅及其他成分的原子的速率及位置分布進行了精密調整。其研究成果LSSPS材料（成分：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)）在室溫下的鋰離子導電性為1.1 x 10-2 S cm-1，幾乎接近最初的LGPS結構的性能。

盡管還需要進行進一步的調整，研究人員可根據其不同的用途來優化材料性能，為降低生產成本帶來了新希望，且不必犧牲材料的性能。

循環伏安圖及充放電曲線。該材料的穩定性高，充放電能力強，在20次充放電周期內，其容量保持率（capacity retention）高。