科学家破解固态电池材料“天然降温”之谜，安全高能电池迎来突破

美国科学家揭开LLZTO材料保持异常低温的物理机制，为开发更安全、能量密度更高的下一代电池奠定基础。

在日常生活中，我们使用的手机、电动汽车的锂电池在充放电时常常会发热，这会影响性能，还潜藏着安全隐患。如今，科学家们在固态电池材料领域取得关键突破，他们发现了一种能在运行中保持异常低温的特殊材料，并揭示了其背后的物理机制。

美国加州大学河滨分校工程师团队在《PRX 能源》期刊发表了一篇最新研究，他们说发现了固态电池关键材料LLZTO保持低温的原因。这一发现有望推动更安全、更高能量密度的下一代锂电池研发。

在充放电过程中，电池会因内部化学反应产生热量。科技报道指出：“如果热量无法及时散发，会使性能下降、寿命缩短，甚至导致电池起火爆炸。”

这一问题是当前锂电池技术面临的主要挑战之一。特别是在追求更高能量密度的同时，如何有效管理电池热量，防止热失控，成为电池研发的关键课题。

传统液态电解质电池在这方面存在天然局限，而固态电池的出现为解决这一问题提供了新的可能。其中，LLZTO材料的表现尤为引人注目。

LLZTO（氧化锂镧锆钽）是一种陶瓷材料，在固态电池中扮演着重要角色。报道中这样描述：“LLZTO是一种陶瓷材料，可用作固态电解质，提供更高能量密度，同时显著降低过热和起火风险。”

这种材料被认为是未来固态可充电电池的理想候选。然而，令科学家困惑的是：“这种材料的热导率（传导热量的能力）为何异常之低。”理解这一现象背后的物理机制，对于设计更安全的电池系统至关重要。

为了揭示LLZTO的特性，研究人员采用了一种先进的实验方法。“采用漂浮区法生长出LLZTO单晶。利用单晶结构可反映材料的本征特性进行实验。”

得出来实验结果令人惊讶：“LLZTO的热导率仅为1.59瓦/米·开尔文，约是铜的1/250，表明低热导率是材料的固有属性。”

通过“中子散射实验并结合先进模拟”，研究团队发现，其原因“与晶格中原子的振动方式有关”。这一发现从最基础的物理层面解释了材料的独特行为。

在原子尺度上，热量的传递有着独特的机制。即“在固体材料中，热量由声子（原子振动的量子化形式）携带。”

研究发现，“LLZTO中存在大量光学声子模式，这些不同步的振动会与主要传热的声学声子相互作用，使其散射，从而阻碍热传导。”

此外，“LLZTO还具有较大的‘非简谐性’，即原子振动偏离理想状态的程度，这与材料中可移动离子的运动相关”。这些因素共同作用，使得热量难以在材料中快速传导。

研究人员强调：“即使离子在其中高速移动，这种材料仍能保持温度稳定。”

理解LLZTO如何天然阻碍热流，“对于掌握固态电池内部温度变化、防范安全风险至关重要”。这为设计更安全的电池系统提供了理论基础。

重要的是，“这一发现提供了在原子层面调控热量的新思路，有助于预测电池内部温度分布、改进热管理，从而设计出更安全、更高性能的电池。”

随着电动汽车、可再生能源存储等领域的快速发展，对电池性能的要求日益提高。LLZTO材料的特性为解决电池安全问题提供了新方向。

基于这一发现，科学家可以设计出热管理更优化的固态电池系统，降低电池过热风险。同时，这种材料还能支持更高的能量密度，满足未来电子设备和电动汽车对续航能力的需求。

研究人员指出，这一认识将帮助工程师“设计出更安全、更高性能的电池”，推动整个能源存储技术的进步。

目前，取得的重要突破利用传统热传导模型“可能并不能完全解释其行为”，这表明还需要进一步的理论创新。

从实验室发现到实际产品应用，还需要解决材料制备、成本控制、规模化生产等一系列工程挑战。LLZTO材料在其他方面的性能表现也需要全面评估。

未来的研究或将着重于基于这一认识设计新型电池材料，优化热管理策略，并将这些发现转化为实际的产品解决方案。

从原子振动到宏观热管理，这项研究架起了基础物理与工程应用之间的桥梁。当科学家在微观世界中揭开LLZTO材料保持低温的秘密，我们看到的不仅是一个科学谜题的解答，还是未来电池技术发展的新蓝图。