美國萊斯大學研究團隊開發柔性多孔材料以改善固態電池性能

美國萊斯大學的一個跨部門研究團隊開發出了一種柔軟、多孔且靈活的材料，該材料能選擇性地允許鋰離子移動，未來可能有助於構建更佳的固態電池。固態電池被視為能源儲存的未來，因為它們依賴固體電解質，這更安全且具有更高的能量密度。傳統電池中的液體電解質易於著火，而用固體電解質替代則可降低其易燃性。在固態電池中，移動鋰離子只是一個挑戰，材料的行為也可能至關重要。金屬有機框架（MOFs）是一種多孔結晶材料，通常用作固態電解質，因為它們包含微小、有序的通道，可以保持或移動特定的離子。

這是電解質材料的一個優越特性，但 MOFs 本質上是剛性的，這會影響它們與電極的接觸方式。

新材料ZnBTCA的特性

萊斯大學化學與生物分子工程、化學、材料科學與納米工程系，以及先進材料研究所的研究團隊開發了 ZnBTCA，該材料使用了一種使 MOF 更柔軟且更具適應性的脂肪鏈連接體。參與研究的研究生 Zina Deriche 表示：「MOF 電解質通常主要圍繞它們運輸離子的效率進行設計。這裡，我們展示了框架的機械性能也可以是設計中的重要部分。」鋅和其製成的脂肪鏈連接體都是豐富且成本低廉的組件。

此外，帶負電的結構使得帶正電的鋰離子更容易通過其通道移動。化學與生物分子工程助理教授 Stavroula Alina Kampouri 在新聞稿中指出：「將這些特性結合在一起，為我們提供了一種新的設計 MOF 電解質的方法，考慮到離子的運動和材料的機械行為。」

克服短路問題的解決方案

克服短路問題 鋰離子電池內部的充電和放電過程可能會在電解質中創建不必要的路徑，這引發了對短路的擔憂。當他們將一種靈活的聚合物融入電解質中，並將其放置在鋰金屬電極之間時，這些電池的運行穩定持續超過 300 小時，即使在測試期間電流增加，也未發生任何短路。研究人員還將結構中的鈉離子替換為鋰。他們發現 95%的可移動平衡電荷離子為鋰，然而該結構並未破裂。這表明，機械靈活性以及化學成分、孔結構和電荷，都可以成為 MOF 電解質研究人員的設計工具。

萊斯大學化學與生物分子工程系主任 Sibani Lisa Biswal 表示：「據我們所知，ZnBTCA 是第一種由脂肪鏈連接體構建的 MOF 電解質。這項工作表明，我們可以超越這些材料的化學和孔結構進行思考。機械靈活性也可以成為開發固態電池 MOF 電解質的設計工具。」

該研究結果已發表在《Chemical Science》期刊上。

項目	規格
電池容量	超過 300 小時穩定運行
材料特性	柔軟、多孔、靈活

柔性材料對固態電池的影響

固態電池被視為未來的能源儲存解決方案，因其安全性和能量密度優勢。萊斯大學的研究團隊針對MOFs的剛性問題，開發了ZnBTCA，這種材料的柔性特性有助於提高鋰離子的運輸效率，並減少短路風險。這一創新不僅推動了固態電池技術的發展，也可能對未來電池設計提供新的思路，強調機械性能在材料選擇中的重要性。