它需要一個(gè)村莊來制造固體電解質(zhì)世界各地的大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室正在共同努力，創(chuàng)造出更好的固體電解質(zhì)，使我們超越目前的鋰離子電池技術(shù)。越來越明顯的是，超越鋰離子電池需要全球研究實(shí)驗(yàn)室和電池制造商的共同努力。賓夕法尼亞大學(xué)最近的一份新聞稿明確了此類合作的范圍，詳細(xì)介紹了用于鋰金屬電池的固體電解質(zhì)的研究。

目前，商用鋰離子電池使用碳石墨陽(yáng)極和金屬氧化物陰極。它們被液體有機(jī)溶劑隔開，液體有機(jī)溶劑可以在電極之間傳遞鋰離子，同時(shí)防止電子進(jìn)入旅程。電解質(zhì)的有機(jī)溶劑是易燃的 - 在鋰離子電池被刺穿的情況下可能引起火災(zāi)。

鋰離子電池的陽(yáng)極側(cè)由石墨層制成。在充電期間，鋰離子插入材料層之間，并在放電期間釋放。電池研究人員意識(shí)到，用金屬鋰代替石墨陽(yáng)極可以讓更多的鋰離子在放電過程中流動(dòng)，產(chǎn)生的電池容量至少是其兩倍。但是在鋰金屬電池的充電階段，在金屬表面上形成稱為枝晶的尖狀晶體結(jié)構(gòu)。這些枝晶可以通過液體電解質(zhì)生長(zhǎng)，到達(dá)陰極并使電池短路。

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堅(jiān)實(shí)的方法

世界范圍內(nèi)正在尋找固體或半固體電解質(zhì)，其可以防止枝晶生長(zhǎng)，同時(shí)允許鋰離子容易通過而不傳導(dǎo)電子。

一種受到高度關(guān)注的可能性是使用由聚合物材料制成的電解質(zhì)。這種材料稱為固體聚合物電解質(zhì)(SPE)。這是賓夕法尼亞大學(xué)研究小組采用的方法。該團(tuán)隊(duì)的出發(fā)點(diǎn)是Nafion，一種磺化四氟乙烯基共聚物，允許正離子(陽(yáng)離子)通過而不允許電子傳輸。Nafion通常用作氫燃料電池中的質(zhì)子交換膜(PEM)。

賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系主任Karen Winey在該大學(xué)出版的新聞稿中解釋說：“Nafion是一種僥幸。”“它的結(jié)構(gòu)幾十年來一直是辯論的主題，可能永遠(yuǎn)不會(huì)被完全理解或控制，”她補(bǔ)充說。Mazelike

由于聚合物Nafion具有隨機(jī)和無(wú)序的結(jié)構(gòu)，因此難以研究。它含有隨機(jī)出現(xiàn)并以磺酸基團(tuán)結(jié)束的側(cè)鏈?；撬嵛胨?。該過程形成通過聚合物的通道，其允許陽(yáng)離子流過材料。但這些正離子的通路是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的迷宮。如果可以更直接地制造路徑，則鋰離子通過聚合物電解質(zhì)的傳輸可以更快且更有效。

人工智能長(zhǎng)期以來一直是開發(fā)人員從事高性能計(jì)算和基于云的系統(tǒng)的工具。人工智能改變了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式，電子郵件掃描方式，甚至是我們與手機(jī)和設(shè)備交互的方式。雖然AI和機(jī)器學(xué)習(xí)總是感覺像是一個(gè)生活在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)之外的遙遠(yuǎn)工具，但機(jī)器學(xué)習(xí)正在基于微控制器的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，它已經(jīng)存在!

這就是合作的結(jié)果。賓夕法尼亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在Winey的指導(dǎo)下，與佛羅里達(dá)大學(xué)的Kenneth Wagener合作。他們開發(fā)了一種新的結(jié)構(gòu)，沿著聚合物鏈以均勻的間距放置磺酸基團(tuán)。他們的方法通過聚合物產(chǎn)生許多平行的酸襯里通道，其作用類似于鋰離子流的高速公路。該結(jié)構(gòu)是從另一項(xiàng)合作中確定的 - 這次是桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Mark Stevens。

所得結(jié)構(gòu)中的鏈形成一系列發(fā)夾形狀，每個(gè)轉(zhuǎn)彎處具有磺酸基團(tuán)。這允許聚合物組裝成有序的層并產(chǎn)生直的通道，而不是未修飾的Nafion的蜿蜒的迷宮結(jié)構(gòu)。通過改性材料的陽(yáng)離子傳輸要快得多。“我們已經(jīng)比Nafion快了兩倍，但如果我們將所有這些層直接排列在電解質(zhì)膜上，我們可能會(huì)更快，”Winey在新聞稿中說。

目標(biāo)是固體電解質(zhì)，它比目前使用的可燃電解質(zhì)更安全。同時(shí)，具有固體聚合物電解質(zhì)的鋰金屬電池可以更輕和更薄。與現(xiàn)今的商用鋰離子電池相比，這種電池還具有兩倍的容量和更快的充電能力。

除了與佛羅里達(dá)大學(xué)和桑迪亞大學(xué)的合作之外，賓夕法尼亞大學(xué)的新聞稿還注意到法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心，法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)以及格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的研究人員的額外貢獻(xiàn)。這種全球合作的程度表明，對(duì)改進(jìn)的電池材料和性能的研究如何在其規(guī)模上變得全球化。