科技日?qǐng)?bào)訊 （記者張佳欣）LLZTO（氧化鋰鑭鋯鉭）是一種固態(tài)電池關(guān)鍵材料，在運(yùn)行過程中會(huì)保持異常低溫，被認(rèn)為是未來固態(tài)可充電電池的理想候選。據(jù)發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)《PRX 能源》期刊的最新研究，美國加州大學(xué)河濱分校工程師團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了該材料保持低溫的原因。這一突破性發(fā)現(xiàn)有望推動(dòng)更安全、更高能量密度的下一代鋰電池研發(fā)。
LLZTO晶體的結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率。圖片來源：《PRX 能源》
在充放電過程中，電池會(huì)因內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量。如果熱量無法及時(shí)散發(fā)，會(huì)使性能下降、壽命縮短，甚至導(dǎo)致電池起火或爆炸。
LLZTO是一種陶瓷材料，可用作固態(tài)電解質(zhì)，提供更高能量密度，同時(shí)顯著降低過熱和起火風(fēng)險(xiǎn)。然而科學(xué)家此前并不清楚，這種材料的熱導(dǎo)率（傳導(dǎo)熱量的能力）為何異常之低。
為探究LLZTO的特性，研究人員采用漂浮區(qū)法生長出LLZTO單晶。單晶結(jié)構(gòu)可反映材料的本征特性。結(jié)果顯示，LLZTO的熱導(dǎo)率僅為1.59瓦/米·開爾文，約是銅的1/250，表明低熱導(dǎo)率是材料的固有屬性。通過中子散射實(shí)驗(yàn)并結(jié)合先進(jìn)模擬發(fā)現(xiàn)，其原因與晶格中原子的振動(dòng)方式有關(guān)。
在固體材料中，熱量由聲子（原子振動(dòng)的量子化形式）攜帶。研究發(fā)現(xiàn)，LLZTO中存在大量光學(xué)聲子模式，這些不同步的振動(dòng)會(huì)與主要傳熱的聲學(xué)聲子相互作用，使其散射，從而阻礙熱傳導(dǎo)。
理解LLZTO如何天然阻礙熱流，對(duì)于掌握固態(tài)電池內(nèi)部溫度變化、防范安全風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。這一發(fā)現(xiàn)提供了在原子層面調(diào)控?zé)崃康男滤悸罚兄陬A(yù)測電池內(nèi)部溫度分布、改進(jìn)熱管理，從而設(shè)計(jì)出更安全、更高性能的電池。
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