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全固态锂电池商业化进程加速:低成本高性能的电解质材料诞生
来源:kok平台 | 作者:kok平台买球赛hiveyan | 发布时间: 2021-10-26 08:52:17 | 17 次浏览 | 分享到:

  与目前主流的锂离子电池相比,全固态锂电池以其更高的安全性成为新能源汽车普及以及实现 “碳中和” 目标的下一代推动力。但作为全固态电池核心部件的固态电解质材料,仍有诸多问题亟待解决。

  当前的主流固态电解质材料包括聚合物、氧化物和硫化物。氯化物固态电解质因为兼具硫化物的易变形性和高离子导电率,以及氧化物的高氧化电位的优势,成为固态电解质中的后起之秀。

  但是,与硫化物固态电解质类似,氯化物固态电解质的生产和储存对环境有着严苛的要求,因为该材料耐潮性差,且因包含大量 Y、Tb-Lu、Sc 和 In 等稀土元素,制备成本居高不下。

  近期,中国科学技术大学马骋教授课题组在 Nature Communications 上发表了有关固态电解质的最新研究成果,他们设计并合成了一种全新的氯化物固态电解质——氯化锆锂(Li2ZrCl6),该材料不但完美继承了氯化物固态电解质独特的优势,还成功突破了固态电解质成本高昂以及湿度耐受性差两大瓶颈,为全固态电池的商业化进程扫除障碍。

  在原材料成本方面,目前最廉价的卤化物固态电解质 Li3YCl6 在厚度低至 50 微米(该厚度对现有工艺水平已是相当大的挑战)时,原材料成本仍高达 23.05 美元/平方米。此前有研究者表示,为确保全固态电池的市场竞争力,固态电解质材料的成本不可高于 10 美元/平方米。而此次,马骋教授团队成功降低了固态电解质材料的成本,其研制的氯化锆锂材料在50微米厚度时,原材料价格仅为 1.38 美元/平方米。

  在对湿度的耐受性方面,Li3InCl6 作为此前对湿度耐受性最强的氯化物固态电解质,也无法在湿度低至 1% 的环境中保持性能稳定。

  而马骋教授团队的氯化锆锂材料在这方面有了较大的突破,测试过程中,研究人员将合成的氯化锆锂暴露在相对湿度为 5% 的大气中,发现其性能依旧保持稳定,并没有出现吸湿或电导率下降等现象。

  图 氯化锆锂发现前后,氯化物固态电解质和氧化物、硫化物固态电解质的优势对比(来源: 中国科学技术大学)

  在具备以上优势的同时,氯化锆锂(Li2ZrCl6)在其他方面也丝毫不逊于已报道的氯化物固态电解质:它的离子电导率在室温下可达 0.81 mS cm-1,并且具有良好的可变形性以及和高电压正极的强相容性。

  使用该材料和单晶高镍三元正极 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(即 NMC811)组成的全固态电池,在 200mA g–1 的大电流密度下循环 200 圈后,容量仍能高达 150mAh g–1 ,并且在整个长循环过程中几乎没有衰减。

  和其他固态电解质相比,马骋教授团队此次推出的氯化锆锂材料,罕见地在规模化制备成本以及综合电化学性能这两方面,同时具有显著优势,这将对全固态电池的商业化产生重要的推动作用。

  此次论文的第一作者是来自中国科学技术大学 M-Laboratory 的王凯,中科大材料科学与工程系教授马骋担任论文通讯作者。

  现为中科大材料科学与工程系教授的马骋本科就读于清华大学,在美国爱荷华州大学获得博士学位后,他先后在爱荷华州立大学和美国能源部的橡树岭国家实验室从事博士后研究。

  2013 年,马骋教授成为非赢利性的美国科研荣誉学会 Sigma Xi 的正式成员,该学会聚集了来自世界各地超过 10 万名研究学者,上百名诺贝尔获得者都曾是该学会成员。

  2016 年,他入职中国科学技术大学,任教授、博导,并成立了 M-Laboratory,从事化学、物理和材料科学的跨学科研究。实验室目前的研究方向包括:全固态锂电池固体电解质及界面的研究,优化,和设计、新型非锂离子电池(钠离子电池、氟离子电池和镁离子电池等)电极材料的研究,以及应用于电化学储能研究的透射电镜方法学。