傳統(tǒng)商用鋰電池采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)在具有體積小容量大
記者近日從科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校馬騁教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種同時(shí)具有成本與性能優(yōu)勢(shì)的鋰電池固態(tài)電解質(zhì)。該工作克服了固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，使得全固態(tài)電池的商業(yè)化不再只是遙不可及的“鋰”想。北京時(shí)間7月20日《自然·通訊》期刊發(fā)表了該成果。
傳統(tǒng)商用鋰電池采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，在具有體積小容量大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其熱失控之后的起火、爆炸問(wèn)題卻成為一大安全隱患。而固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)，可以杜絕液態(tài)電解質(zhì)帶來(lái)的“易燃易爆炸”與漏液等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)能。
“雖然全固態(tài)鋰電池具有更高的安全性，但它的核心部件——固態(tài)電解質(zhì)的原材料成本大多非常高，并且相當(dāng)一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對(duì)濕度的穩(wěn)定性不佳，需要在露點(diǎn)極低的氣氛下制備和儲(chǔ)存，從另一方面增加了生產(chǎn)成本。這為全固態(tài)電池的商業(yè)化制造了巨大的挑戰(zhàn)?！瘪R騁說(shuō)。
針對(duì)這一問(wèn)題，馬騁課題組設(shè)計(jì)并合成了一種新型氯化物固態(tài)電解質(zhì)—氯化鋯鋰(Li2ZrCl6)。這一材料成功將50微米厚度時(shí)的原材料成本降低至1.38美元/平方米，遠(yuǎn)低于10美元/平方米這一確保全固態(tài)電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的閾值，而此前最廉價(jià)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)應(yīng)的成本為23.05美元/平方米，遠(yuǎn)超這一閾值。除此之外，氯化鋯鋰在濕度高達(dá)5%時(shí)仍保持穩(wěn)定，因此其合成和儲(chǔ)存對(duì)氣氛的要求并不苛刻，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。
同樣值得關(guān)注的是，生產(chǎn)成本的大幅降低并沒(méi)有以犧牲性能作為代價(jià)。在離子電導(dǎo)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(tài)電解質(zhì)相對(duì)于其它固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，由其組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基于硫化物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的同類電池。
氯化鋯鋰同時(shí)在生產(chǎn)成本及綜合電化學(xué)性能方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，這在固態(tài)電解質(zhì)中是十分罕見的，它的發(fā)現(xiàn)為商業(yè)化量產(chǎn)全固態(tài)電池克服了重大挑戰(zhàn)。“全固態(tài)鋰電池的商業(yè)化將對(duì)實(shí)現(xiàn)‘碳達(dá)峰、碳中和’的目標(biāo)有著重要意義，尤其在新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池或許是安全問(wèn)題的最終解決方案?！瘪R騁說(shuō)。
對(duì)于未來(lái)的研究計(jì)劃，馬騁表示課題組將嘗試把鋯離子換為其它四價(jià)陽(yáng)離子進(jìn)行固態(tài)電解質(zhì)合成，并繼續(xù)提高離子電導(dǎo)率等各項(xiàng)指標(biāo)，不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池的性能。
