全固態(tài)鋰電池可以克服目前商業(yè)化鋰離子電池在安全性上的嚴重缺陷，同時(shí)進(jìn)一步提升能量密度，對新能源車(chē)和儲能產(chǎn)業(yè)是一項顛覆性技術(shù)。但是，由于全固態(tài)鋰電池的核心材料—固態(tài)電解質(zhì)—難以兼顧性能和成本，目前該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化仍面臨巨大阻礙。6月27日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授報道了一種新型固態(tài)電解質(zhì)，它的綜合性能和目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，很適合產(chǎn)業(yè)化應用。該成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”為題發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

為了滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時(shí)具備三個(gè)條件：高離子電導率（室溫下超過(guò)1毫西門(mén)子每厘米），良好的可變形性（250-350兆帕下實(shí)現90%以上致密），以及足夠低廉的成本（低于50美元每公斤）。但是，目前被廣泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)都無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足這些條件。氧化物作為脆性陶瓷，普遍不具備可變形性。硫化物和大部分氯化物則成本高昂，至少在200美元每公斤的量級。這些材料中唯一的例外是氯化鋯鋰，但是它的離子電導率卻遠低于1毫西門(mén)子每厘米。

此次研究中，馬騁教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉向氧氯化物，設計并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)—氧氯化鋯鋰。這種材料具有很強的成本優(yōu)勢。如果以水合氫氧化鋰、氯化鋰、氯化鋯進(jìn)行合成，它的原材料成本僅為11.6美元每公斤，很好的滿(mǎn)足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化鋯、氯化鋰、氯化鋯進(jìn)行合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進(jìn)一步降低到約7美元每公斤，遠低于目前最具成本優(yōu)勢的固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態(tài)電解質(zhì)的4%。在具備極強成本優(yōu)勢的同時(shí)，氧氯化鋯鋰的綜合性能和目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當。它的室溫離子電導率高達2.42毫西門(mén)子每厘米，超過(guò)了應用所需要的1毫西門(mén)子每厘米。與此同時(shí)，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達到94.2%致密，也超過(guò)應用所需要的水平（250-350兆帕下90%以上致密）。由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池展示了極為優(yōu)異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功的在室溫穩定循環(huán)2000圈以上。

氧氯化鋯鋰的發(fā)現，使固態(tài)電解質(zhì)在性能、成本兩方面同時(shí)實(shí)現了突破，對全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。審稿人認為這一發(fā)現“很有新意和原創(chuàng )性”，并且認為氧氯化鋯鋰材料“很有前景”，“有益于固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化”。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39522-1

（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）