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科研进展

2021年07月20日
成本更低、性能更强:锂电池固态电解质研究取得重要突破

相比于目前(qian)商业化的(de)(de)(de)(de)锂离(li)子电(dian)池,全(quan)固(gu)态(tai)锂电(dian)池兼具(ju)更高的(de)(de)(de)(de)安(an)全(quan)性和更大(da)的(de)(de)(de)(de)能量密度提(ti)升空间(jian),将为新(xin)能源汽(qi)车(che)的(de)(de)(de)(de)全(quan)面(mian)普及(ji)和“碳达峰(feng)、碳中和”目标(biao)的(de)(de)(de)(de)实(shi)现(xian)提(ti)供巨大(da)助力。但是,作(zuo)为全(quan)固(gu)态(tai)电(dian)池核心(xin)部(bu)件的(de)(de)(de)(de)固(gu)态(tai)电(dian)解质(zhi)材料,仍存(cun)在诸(zhu)多瓶颈。特别(bie)的(de)(de)(de)(de),在大(da)规模生(sheng)产的(de)(de)(de)(de)成本以及(ji)综合电(dian)化学(xue)性能上(shang)同(tong)时表现(xian)优异(yi)的(de)(de)(de)(de)固(gu)态(tai)电(dian)解质(zhi),目前(qian)尚未见报道。7月(yue)20日,中国科学(xue)技术(shu)大(da)学(xue)的(de)(de)(de)(de)马骋(cheng)教授报道了一种(zhong)在这两方面(mian)同(tong)时具(ju)备显著优势的(de)(de)(de)(de)固(gu)态(tai)电(dian)解质(zhi),为全(quan)固(gu)态(tai)电(dian)池的(de)(de)(de)(de)商业化移除(chu)了重大(da)障碍(ai);该成果以“A cost-effective and humidity-tolerant chloride solid electrolyte forlithium batteries”为题发表在国际著名学(xue)术(shu)期(qi)刊《Nature Communications》上(shang)(DOI: 10.1038/s41467-021-24697-2)。

和多年来被广泛研究的氧化物与硫化物固态电解质相比,近年来受关注程度急剧攀升的氯化物固态电解质同时具备硫化物的高离子电导率、可变形性,以及氧化物对高电压正极材料的稳定性,展示出相当独特的优势。但是,受限于两大瓶颈,此类材料暂不具备大规模商业化的可能性:1.原材料成本过高。为确保全固态电池的市场竞争力,业界认为固态电解质材料的成本不可高于10美元/平方米(J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4581−4588),而对目前成本最低廉的卤化物固态电解质Li3YCl6而言,即便厚度低至对现有工艺已具有相当挑战的50微米,原材料成本仍高达23.05美元/平方米。2.对湿度的稳定性差。目前对湿度耐受性最强的氯化物固态电解质Li3InCl6,甚至无法在湿度低至1%的气氛中保持稳定。因此,和硫化物固态电解质类似,氯化物固态电解质的生产、储存、使用等都对气氛有着极其严格的要求,这从另一方面大幅增加了大规模生产的成本。

中国科学技术大学马骋教授课题组设计并合成的Li2ZrCl6材料,在完美继承了氯化物固态电解质所有优势的基础上,克服了以上两个瓶颈。这种材料在50微米厚度时的原材料成本仅为1.38美元/平方米,远远低于上述10美元/平方米的阈值,并且它在湿度高达5%时仍保持稳定,可在一般的干燥间合成和储存。在具备以上独特优势的同时,Li2ZrCl6在其他方面不逊于已报道的氯化物固态电解质;它的离子电导率高达0.81 mS cm-1,并且具有良好的可变形性、对空气的稳定性,以及和高电压正极的相容性。用Li2ZrCl6固态电解质组成的全固态电池在性能上甚至略高于其他氯化物固态电解质组成的电池,并且远远超过基于硫化物和氧化物固态电解质的同类电池;特别的,Li2ZrCl6和高能量密度的单晶高镍三元正极LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(即NMC811)组成的全固态电池,在200 mA g–1的大电流密度下循环200圈之后容量仍高达150 mAh g-1,并且在整个长循环过程中容量几乎无衰减。和其他固态电解质相比,Li2ZrCl6罕见的在大规模生产的成本以及综合电化学性能这两方面同时具备显著优势,它的发现将对全固态电池的商业化产生重要的推动作用。

图1. Li2ZrCl6的发现使氯化物固态电解质兼具性能和量产成本的优势。

该论文(wen)的第一作者(zhe)为中国(guo)科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)术大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)的博(bo)士生(sheng)王凯同学(xue)(xue)(xue),通讯作者(zhe)为中国(guo)科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)术大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)的马骋(cheng)教授(shou)。该工作得到了科(ke)(ke)技(ji)(ji)部国(guo)家重(zhong)点研发计(ji)划、国(guo)家自然科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)基金、中国(guo)科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)术大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)重(zhong)要方向(xiang)项目培育基金等项目的资助。

论(lun)文链接(jie):


(化学(xue)(xue)与材料科(ke)学(xue)(xue)学(xue)(xue)院、合肥微尺度物(wu)质科(ke)学(xue)(xue)国家(jia)研究中心、科(ke)研部)

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