固態電池關鍵材料保持低温原因揭示 有助研發更安全、更高能電池

科技日報記者 張佳欣

LLZTO（氧化鋰鑭鋯鉭）是一種固態電池關鍵材料，在運行過程中會保持異常低温，被認為是未來固態可充電電池的理想候選。據發表在美國物理學會《PRX 能源》期刊的最新研究，美國加州大學河濱分校工程師團隊發現了該材料保持低温的原因。這一突破性發現有望推動更安全、更高能量密度的下一代鋰電池研發。

在充放電過程中，電池會因內部化學反應產生熱量。如果熱量無法及時散發，會使性能下降、壽命縮短，甚至導致電池起火或爆炸。

LLZTO是一種陶瓷材料，可用作固態電解質，提供更高能量密度，同時顯著降低過熱和起火風險。然而科學家此前並不清楚，這種材料的熱導率（傳導熱量的能力）為何異常之低。

為探究LLZTO的特性，研究人員採用漂浮區法生長出LLZTO單晶。單晶結構可反映材料的本徵特性。結果顯示，LLZTO的熱導率僅為1.59瓦/米·開爾文，約是銅的1/250，表明低熱導率是材料的固有屬性。通過中子散射實驗並結合先進模擬發現，其原因與晶格中原子的振動方式有關。

在固體材料中，熱量由聲子（原子振動的量子化形式）攜帶。研究發現，LLZTO中存在大量光學聲子模式，這些不同步的振動會與主要傳熱的聲學聲子相互作用，使其散射，從而阻礙熱傳導。此外，LLZTO還具有較大的“非簡諧性”，即原子振動偏離理想狀態的程度，這與材料中可移動離子的運動相關，説明傳統熱傳導模型可能並不能完全解釋其行為。

研究人員表示，即使離子在其中高速移動，這種材料仍能保持温度穩定。理解LLZTO如何天然阻礙熱流，對於掌握固態電池內部温度變化、防範安全風險至關重要。這一發現提供了在原子層面調控熱量的新思路，有助於預測電池內部温度分佈、改進熱管理，從而設計出更安全、更高性能的電池。