电动汽车被广泛认为是取代传统汽车的最佳选择。然而，电动汽车一般采用的是成本较高的锂离子电池，无法实现高性价比。
过去几年里，固态电池（SSB）逐渐受到很多研究人员的青睐。传统的锂离子电池包含液体电解质，锂离子在充电/放电过程中会在其中流动，而SSB则完全由固体材料制成。除了操作安全性的巨大改进（电池在被刺破是不会溢出有毒液体），SSB的充电速度也快得多。
但当锂离子被嵌入至或被从SSB的电极提取时，材料的晶体结构会发生变化，从而使电极膨胀或收缩。这些体积的反复变化会破坏电极和固体电解质之间的界面，并导致电极的晶体化学发生不可逆的变化。
据外媒报道，由日本横滨国立大学（Yokohama National University）Naoaki Yabuuchi教授领导的科学家团队研究出一种在SSB中具有超强稳定性的新型正极材料。相关论文已发表于期刊《Nature Materials》，合著者还有澳大利亚悉尼新南威尔士大学（UNSW）的Neeraj Sharma副教授，和日本LIBTEC的Takuhiro Miyuki博士。
图片来源：横滨国立大学
该研究团队关注的材料是Li8/7Ti2/7V4/7O2，一种由钛酸锂（Li2TiO3）和二氧化锂钒（LiVO2）的优化部分组成的二元系统。当球磨至纳米级的适当粒径时，这种材料具有较高容量，这是因为其大量锂离子可以在充/放电过程中可逆地嵌入和提取。
与其他正极材料不同，Li8/7Ti2/7V4/7O2在完全充电和完全放电时的体积几乎相同。研究人员对此进行了研究并得出结论，即这是锂离子从晶体中嵌入或提取时的两种独立现象之间良好平衡的结果。
一方面，锂离子的去除或“脱锂”会导致晶体中自由体积的增加，从而使晶体收缩。另一方面，一些钒离子会从原来的位置迁移到锂离子留下的空间，在这个过程中获得更高的氧化态，从而与氧气发生排斥作用，进而产生晶格膨胀。
Yabuuchi教授表示：“当收缩和膨胀达到很好的平衡时，电池在充电或放电时（即循环过程中）会保持尺寸稳定性。我们预计，可以通过进一步优化电解质的化学成分来开发一种真正尺寸不变的材料——一种可在电化学循环中保持其体积的材料。”
研究团队通过将这种新型正极材料与合适的固体电解质和负极相结合，在全固态电池中对其进行了测试。该电池表现出300 mAh/g的非凡容量，并且在400次充电/放电循环中没有退化。
Sharma教授解释道：“400次循环后容量依然没有衰减，这清楚地表明这种材料的性能优于传统的分层材料全固态电池。这一发现可以大大降低电池成本。实用的高性能固态电池的开发可以推动先进电动汽车的发展。”
通过进一步细化尺寸不变的电极材料，可能很快就能制造出在价格、安全性、容量、充电速度和寿命方面均可满足电动汽车要求的电池。
Yabuuchi教授表示：“长寿命和高性能固态电池的开发将解决电动汽车的部分问题。例如在未来，在短短五分钟内即可为电动汽车充满电。”研究人员希望该领域取得更多进展，以加速电动汽车的采用，为地球建设一个更绿色的未来。
