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日前從中國科學技術大學獲悉，該校馬騁教授開發了一種新型固態電解質，它的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態電解質相近，但成本不到后者的4%，適合進行產業化應用。6月27日，該成果發表在國際著名學術期刊《自然·通訊》上。研究人員介紹，氧氯化鋯鋰能以目前最低的成本實現和當下最先進的硫化物、氯化物固態電解質相近的性能，對全固態鋰電池的產業化具有重大意義。
馬騁曾介紹，固態鋰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”與漏液等問題，實現安全儲能。固態電解質是固態鋰電池最核心的部件，但其生產成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿足商業化需求。
“雖然固態鋰電池具有更高安全性，但其核心部件——固態電解質的原材料成本大多非常高，并且相當一部分性能很好的固態電解質對濕度的穩定性不佳，需要在露點不超過零下40攝氏度的環境下制備和儲存，極大增加了生產成本。”馬騁坦言，這為全固態電池的商業化帶來巨大挑戰。
超強全固態鋰電池電解質問世
據安徽日報報道，為了滿足實際應用的需求，全固態鋰電池的固態電解質至少需要同時具備三個條件：高離子電導率——室溫下超過1毫西門子每厘米，良好的可變形性——250至350兆帕下實現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、氯化物和固態電解質都無法同時滿足這些條件。
此次研究中，馬騁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電解質——氧氯化鋯鋰。這種材料具有很強的成本優勢。如果以水合氫氧化鋰、氯化鋰、氯化鋯進行合成，它的原材料成本僅為11.6美元每公斤，很好地滿足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化鋯、氯化鋰、氯化鋯進行合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進一步降低到約7美元每公斤，遠低于目前最具成本優勢的固態電解質氯化鋯鋰（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態電解質的4%。
在具備極強成本優勢的同時，氧氯化鋯鋰的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態電解質相當。它的室溫離子電導率高達2.42毫西門子每厘米，超過了應用所需要的1毫西門子每厘米，并且在目前報道的各類固態電解質中位居前列。與此同時，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，可以很好地滿足應用需求，也優于以易變形性著稱的硫化物、氯化物固態電解質。
實驗證明，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態鋰電池展示了極為優異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功地在室溫穩定循環2000圈以上。 目前，中國也有多家電池企業、整車企業以及科研院所等，紛紛布局固態電池產業鏈上下游。但基于全固態電池的技術難度和高成本，中國企業大部分采取從半固態再到固態的漸進式研發路線，目前公布進展多集中在半固態電池上。
日本全固態電池獲得新突破 在固態鋰電池產業化道路上，日企較為激進。
今年6月初，豐田宣布固態電池商業化的最新規劃，最早到2027年，豐田就將向市場投放搭載固態電池的電動汽車，充電不到10分鐘即可行駛約1200公里。
日產計劃在2028年推出首款搭載固態電池的量產車型；本田規劃在2024年啟用固態電池的實驗生產線，所生產的電池將用于2020年代后半期推出的車型，該生產線的投資將達到430億日元（約合21億元人民幣）。
據界面新聞7月16日報道，近日，日本東京工業大學特聘教授菅野了次等人組成的研究團隊，成功提高了全固態電池的快速充電性能和容量。該研究通過新開發基礎材料、重新研究制造工藝等方式得以實現，相關文章發表在美國《科學》雜志上。
日本東京工業大學的上述研究，利用高熵材料設計開發了一種高離子導電性的固體電解質，通過增加已知鋰快離子導體的成分復雜性，使得鋰離子電導率約為傳統材料的2.3-3.8倍，從而能縮短電池充電時間。這意味著，影響電池充電性能的指標較當前傳統電池相比最多可提高3.8倍，為目前全球最高水平。
此外，研究團隊改良了制造工藝，負極采用鋰金屬代替傳統的石墨，使得正極容量按單位電極面積計算較當前提高1.8倍。試制的全固態電池每平方厘米電極的電池容量超過20毫安，這也是全球目前公布的最高水平。 | 
發表于 2023-7-18 09:28:16
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