成本更低，性能更強：邁向全固態電池商業化的“鋰”想_風聞

“易燃易爆炸”的傳統商用鋰電池

近年來，手機電池爆炸、電動汽車起火等安全事故頻出。安裝在智能手機、新能源汽車中的傳統商用鋰電池採用有機液態電解質，在具有體積小、容量大、使用壽命長等優點的同時，其熱失控之後的起火、爆炸問題卻成為一大安全隱患。

而全固態電池中的固態電解質，可以杜絕液態電解質帶來的“易燃易爆炸”與漏液等問題，實現安全儲能。除此之外，全固態電池的能量密度相較傳統商用鋰電池有更大的提升空間。因此全固態鋰電池的普及將有利於新能源產業的進一步發展，為實現“碳達峯、碳中和”的目標提供助力。

全固態電池商業化的“玻璃天花板”

作為全固態電池的核心部件，固態電解質需要在諸多方面同時展示優異的性能，從而為材料設計帶來了很大的挑戰。不同於多年來被廣泛研究的氧化物與硫化物固態電解質，近年新興的氯化物固態電解質終於得以在離子電導率、可變形性、對高電壓正極材料的穩定性等方面同時表現優異，迅速受到研究者的廣泛關注。但是，這類高性能固態電解質的商業化卻極為困難。

“它們（氯化物固態電解質）的原材料成本非常高，並且對濕度的穩定性不佳，需要在露點極低的氣氛下製備和儲存，從另一方面大幅增加了生產成本。”馬騁教授説，“所以，很可惜，這類材料獨特的性能優勢，卻因為其商業化量產所面臨的巨大挑戰，而無法對實際應用做出貢獻。”

新型固態電解質助力全固態電池商業化“鋰”想

針對這一問題，中國科學技術大學馬騁教授團隊設計併合成了一種同時具有成本與性能優勢的鋰電池固態電解質。該工作克服了固態電解質材料生產成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，使得全固態電池的商業化不再只是遙不可及的“鋰”想。

馬騁教授課題組設計併合成了一種新型氯化物固態電解質——氯化鋯鋰（Li2ZrCl6）。這一材料成功將50微米厚度時的原材料成本降低至1.38美元/平方米，罕見的遠遠低於10美元/平方米這一確保全固態電池市場競爭力的閾值，而此前最廉價的氯化物固態電解質相對應的成本為23.05美元/平方米，遠遠超過10美元/平方米的閾值。除此之外，氯化鋯鋰在濕度高達5%（對應露點-15°C）時仍保持穩定，因此其合成和儲存對氣氛的要求並不苛刻，進一步降低了生產成本。

同樣值得關注的是，生產成本的大幅降低並沒有以犧牲性能作為代價。在離子電導率、可變形性、與高電壓正極的相容性等方面，氯化鋯鋰很好的繼承了氯化物固態電解質相對於其它固態電解質的優勢。由其組成的全固態電池的循環性能甚至遠遠超過基於硫化物和氧化物固態電解質的同類電池——以單晶高鎳三元材料（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）作為正極時，基於氯化鋯鋰的全固態電池在200mA g–1的大電流密度下循環200圈後容量仍能達到約150mAh g-1。

氯化鋯鋰的發現使氯化物固態電解質兼具性能和量產成本的優勢

氯化鋯鋰同時在生產成本及綜合電化學性能方面具備顯著優勢，這在固態電解質中是十分罕見的，它的發現為商業化量產全固態電池克服了重大挑戰。“全固態鋰電池的商業化對實現’碳達峯、碳中和’的目標有着重要意義，”馬騁教授提到，“尤其在新能源電動汽車領域，全固態鋰電池或許是安全問題的最終解決方案。”

對於未來的研究計劃，馬騁教授表示課題組將嘗試把鋯離子換為其它四價陽離子進行固態電解質合成，並繼續提高離子電導率等各項指標，不斷優化全固態鋰電池的性能。

來源：中國科學技術大學