马骋等突破全固态锂电池电解质在性能和成本上的双重瓶颈

mipang

全固态锂电池可以克服目前商业化锂离子电池在安全性上的严重缺陷，同时进一步提升能量密度，对新能源车和储能产业是一项颠覆性技术。但是，由于全固态锂电池的核心材料—固态电解质—难以兼顾性能和成本，目前该技术的产业化仍面临巨大阻碍。6月27日，中国科学技术大学的马骋教授报道了一种新型固态电解质，它的综合性能和目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近，但成本不到后者的4%，很适合产业化应用。该成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”为题发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。
        为了满足实际应用的需求，全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件：高离子电导率（室温下超过1毫西门子每厘米），良好的可变形性（250-350兆帕下实现90%以上致密），以及足够低廉的成本（低于50美元每公斤）。但是，目前被广泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固态电解质都无法同时满足这些条件。氧化物作为脆性陶瓷，普遍不具备可变形性。硫化物和大部分氯化物则成本高昂，至少在200美元每公斤的量级。这些材料中唯一的例外是氯化锆锂，但是它的离子电导率却远低于1毫西门子每厘米。

        此次研究中，马骋教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一种，而是转向氧氯化物，设计并合成了一种新型固态电解质—氧氯化锆锂。这种材料具有很强的成本优势。如果以水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，它的原材料成本仅为11.6美元每公斤，很好的满足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化锆、氯化锂、氯化锆进行合成，氧氯化锆锂的成本可以进一步降低到约7美元每公斤，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、铟基氯化物固态电解质的4%。在具备极强成本优势的同时，氧氯化锆锂的综合性能和目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相当。它的室温离子电导率高达2.42毫西门子每厘米，超过了应用所需要的1毫西门子每厘米。与此同时，它良好的可变形性使材料在300兆帕压力下能达到94.2%致密，也超过应用所需要的水平（250-350兆帕下90%以上致密）。由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态电池展示了极为优异的性能：在12分钟快速充电的条件下，该电池仍然成功的在室温稳定循环2000圈以上。
        氧氯化锆锂的发现，使固态电解质在性能、成本两方面同时实现了突破，对全固态锂电池的产业化具有重大意义。审稿人认为这一发现“很有新意和原创性”，并且认为氧氯化锆锂材料“很有前景”，“有益于固态电池技术的商业化”。
        相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39522-1
           文章来源：中科大
         马骋，2006年毕业于清华大学，现为中国科学技术大学化学与材料科学学院的教授、博士生导师。他的研究方向主要是将多种前沿的扫描透射电镜技术和无机材料合成相结合，一方面通过对材料在原子尺度行为的直接观察（atom-by-atom study）揭示其结构-性能关联，另一方面以此为理论指导，进行有针对性的性能提升。这两种不同研究方法的协同作用将有效的使基础研究转化为新材料研发的驱动力。本课题组的工作涉及晶体学，电子显微学，材料合成，材料物理，电化学，纳米技术等多个领域。