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2021年07月26日
【中国科学报】电解质原材料成本骤降 新材料加速固态锂电池商业化


氯化锆锂的发现使氯化物固态电解质兼具性能和成本的优势。

桂运安

近(jin)日,一种(zhong)锂(li)电(dian)池固态电(dian)解质新(xin)材料(liao)——氯(lv)(lv)化(hua)锆锂(li)的(de)(de)问世(shi),成功(gong)将50微米厚度(du)的(de)(de)原材料(liao)成本(ben)降低(di)至1.38美(mei)元/平方米,而此前最廉价的(de)(de)氯(lv)(lv)化(hua)物固态电(dian)解质相(xiang)对(dui)应的(de)(de)成本(ben)为23.05美(mei)元/平方米。

这种新材料由中国科学(xue)技术(shu)大学(xue)教授马骋团队设计并合成(cheng)(cheng),该材料克服了锂(li)电池固(gu)态电解(jie)质材料生产成(cheng)(cheng)本和综合性能难以兼得的瓶(ping)颈,有望推进(jin)安全且具有更大能量密度提升空间的全固(gu)态锂(li)电池商业(ye)化进(jin)程。相(xiang)关(guan)成(cheng)(cheng)果7月20日发表(biao)于《自(zi)然—通讯》。

值得(de)关(guan)注的(de)(de)是,该成果发(fa)布的(de)(de)第二(er)天,锂电(dian)池(chi)板块“涨声(sheng)”一(yi)片,飘红股(gu)票占(zhan)比87%,A股(gu)19只“锂电(dian)池(chi)”股(gu)再创历史(shi)新高。投资者(zhe)认为(wei),这(zhei)一(yi)重磅进展有(you)可(ke)能是引爆“锂电(dian)池(chi)”板块的(de)(de)推手(shou)之一(yi),而市场也对这(zhei)种“物美价廉(lian)”的(de)(de)新材料充(chong)满期待。

“鱼与熊掌”可兼得

当前,传(chuan)统(tong)商用锂电池(chi)自(zi)燃、爆炸事(shi)故时有(you)发(fa)生。不久(jiu)前,杭州电动车自(zi)燃事(shi)故仍让人心有(you)余悸(ji)。

“采用(yong)有机液(ye)态电(dian)解质的传统(tong)商用(yong)锂(li)离子电(dian)池,具有体积小、容量(liang)大、使(shi)用(yong)寿命长(zhang)等优点(dian),但其热失控之后容易起(qi)火,甚至引发爆(bao)炸(zha)。”马(ma)骋(cheng)对《中(zhong)国科学(xue)报》说,固(gu)态锂(li)电(dian)池中(zhong)的固(gu)态电(dian)解质,可以杜绝液(ye)态电(dian)解质带来的“易燃(ran)易爆(bao)”与(yu)漏液(ye)等问题,实现安全储能。

固态(tai)电解质(zhi)是固态(tai)锂电池最(zui)核心的部件,但其(qi)生产成本(ben)和综合性能往(wang)往(wang)不可兼(jian)得,难以满足(zu)商业化需求。

“虽然固态锂电池(chi)具(ju)有(you)更高的(de)安全性,但固态电解(jie)质(zhi)原材料(liao)成(cheng)本大多非常高,并且相(xiang)当一部分性能(neng)很(hen)好的(de)固态电解(jie)质(zhi)对湿度(du)的(de)稳定性不佳,需要在露点不超过(guo)零下40摄氏度(du)的(de)环境下制备(bei)和储存,极(ji)大增加了生(sheng)产(chan)成(cheng)本。”马(ma)骋坦言,这些都给全固态电池(chi)的(de)商业化带(dai)来巨(ju)大挑战(zhan)。

对生(sheng)产(chan)成(cheng)(cheng)本和综合性(xing)能(neng)来(lai)说,“鱼(yu)与熊掌”能(neng)否兼(jian)得?马骋(cheng)团队(dui)设计并(bing)合成(cheng)(cheng)的新型氯化物固态电解质材(cai)料——氯化锆锂,成(cheng)(cheng)功将50微米(mi)厚度的原材(cai)料成(cheng)(cheng)本降(jiang)低至1.38美元/平方米(mi),远低于10美元/平方米(mi)这一确保全(quan)固态电池市场(chang)竞争力的阈值。

除(chu)此之外,氯化锆锂在露点(dian)高达零下15摄(she)氏(shi)度的相对潮湿气氛中仍能保持稳定,其合(he)成和储存对环(huan)境的要求并不(bu)苛刻,相对来说(shuo)更容(rong)易制备,这也进一(yi)步降低(di)了(le)生产成本。

值得关(guan)注的(de)是,生产成本的(de)降低并不以牺牲性能为代价。

“这(zhei)一(yi)新成(cheng)(cheng)果最大的(de)(de)亮点,就是我们设(she)计(ji)的(de)(de)材料在大幅降低规模化(hua)生产成(cheng)(cheng)本的(de)(de)同(tong)时,仍然在综(zong)合性(xing)能(neng)上有(you)很强的(de)(de)竞争力。”马骋(cheng)表示,在离(li)子(zi)电(dian)导率、可(ke)变形性(xing)以(yi)及与高电(dian)压正(zheng)极相(xiang)容(rong)性(xing)等方(fang)面,氯化(hua)锆(gao)锂很好集(ji)成(cheng)(cheng)了硫化(hua)物、氧化(hua)物固态(tai)(tai)电(dian)解(jie)(jie)质(zhi)的(de)(de)优势。它(ta)与高镍三元正(zheng)极组成(cheng)(cheng)的(de)(de)全(quan)固态(tai)(tai)电(dian)池(chi)的(de)(de)循环性(xing)能(neng),甚至可(ke)以(yi)比肩基(ji)于(yu)液态(tai)(tai)电(dian)解(jie)(jie)质(zhi)的(de)(de)锂离(li)子(zi)电(dian)池(chi)。

新材料并不完美

当下主(zhu)流的动(dong)力电池,无论是(shi)(shi)磷酸铁锂电池还是(shi)(shi)三元锂离子(zi)电池,均是(shi)(shi)采用(yong)液(ye)态电解质的锂离子(zi)电池,除了存在(zai)“易燃易爆”的弊病,能量密度也基本达(da)到了“天花板”。

马(ma)骋认为,在新能源(yuan)电动汽(qi)车(che)领域,全(quan)(quan)固(gu)态(tai)(tai)锂电池或许是安(an)全(quan)(quan)问题(ti)的(de)(de)(de)最终(zhong)解(jie)决方案(an),将会(hui)成为锂电池行业(ye)的(de)(de)(de)颠覆者。此外(wai),全(quan)(quan)固(gu)态(tai)(tai)电池可以使用更高能量的(de)(de)(de)正负极材料,电池构(gou)造也能提供更多(duo)“脑洞大开”的(de)(de)(de)可能性(xing)。

然而,全固态锂电池虽然被科学界和(he)产业(ye)界普遍看好(hao),但其商业(ye)化(hua)量产仍面临诸多障(zhang)碍,比如需(xu)要寻(xun)找更(geng)(geng)加适合量产的固态电解(jie)质(zhi)材料、固态电解(jie)质(zhi)膜需(xu)要做得更(geng)(geng)薄等。

马骋(cheng)坦言(yan),固态(tai)电解(jie)质(zhi)材料只有兼顾(gu)成本(ben)和(he)性(xing)能(neng),且具有巨大(da)优越(yue)性(xing),才有全面替代液(ye)态(tai)电解(jie)质(zhi)的(de)可能(neng)。此(ci)外(wai),固态(tai)电解(jie)质(zhi)膜主要用来传(chuan)输锂离(li)子,厚(hou)度(du)做到10~40微米,在(zai)能(neng)量密度(du)上才具备竞争力,这些重大(da)障碍均非一朝一夕可以(yi)扫(sao)除。

氯(lv)化(hua)锆锂(li)则是首个基(ji)于四价阳(yang)离子的高性能氯(lv)化(hua)物固态电(dian)解(jie)质,马骋表示(shi),它克服了生(sheng)产成本和综合性能难以兼(jian)得(de)的重大(da)瓶颈,并且在(zai)这两方面均具(ju)备显著优势,这在(zai)固态电(dian)解(jie)质中十分(fen)罕(han)见,为全固态电(dian)池商(shang)业化(hua)扫清了一大(da)障碍。

“但需要特别(bie)说明的(de)是,这一(yi)新材料并不(bu)(bu)完美。”马(ma)骋坦言,氯(lv)化锆(gao)锂(li)(li)(li)(li)对于金(jin)属锂(li)(li)(li)(li)负极的(de)稳定(ding)性并不(bu)(bu)好,这一(yi)不(bu)(bu)足仍需解决(jue)。目(mu)前,该团队正(zheng)在试图提升氯(lv)化锆(gao)锂(li)(li)(li)(li)对金(jin)属锂(li)(li)(li)(li)的(de)稳定(ding)性,以及研发(fa)基于氯(lv)化锆(gao)锂(li)(li)(li)(li)的(de)高能量密度(du)软包电池(chi),不(bu)(bu)断(duan)优化全固态锂(li)(li)(li)(li)电池(chi)性能,并与相关企业(ye)合作推进商业(ye)化进程(cheng)。

“我相信随着科(ke)技发(fa)展,各种障碍会(hui)一个个被(bei)清除。”马骋说。

相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41467-021-24697-2

《中国科学报》 (2020-07-26 第3版    能源化工)

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/7/364171.shtm

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