傳統(tǒng)商用鋰電池采用有機液態(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，該校馬騁教授團隊設(shè)計并合成了一種同時具有成本與性能優(yōu)勢的鋰電池固態(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液態(tài)電解質(zhì)，在具有體積小容量大、使用壽命長等優(yōu)點的同時，其熱失控之后的起火、爆炸問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)帶來的“易燃易爆炸”與漏液等問題，實現(xiàn)安全儲能。
“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，并且相當一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對濕度的穩(wěn)定性不佳，需要在露點極低的氣氛下制備和儲存，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。
針對這一問題，馬騁課題組設(shè)計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微米厚度時的原材料成本降低至1.38美元/平方米，遠低于10美元/平方米這一確保全固態(tài)電池市場競爭力的閾值，而此前最廉價的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對應(yīng)的成本為23.05美元/平方米，遠超這一閾值。除此之外，氯化鋯鋰在濕度高達5%時仍保持穩(wěn)定，因此其合成和儲存對氣氛的要求并不苛刻，進一步降低了生產(chǎn)成本。
同樣值得關(guān)注的是，生產(chǎn)成本的大幅降低并沒有以犧牲性能作為代價。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)相對于其它固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢，由其組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能甚至遠遠超過基于硫化物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的同類電池。
氯化鋯鋰同時在生產(chǎn)成本及綜合電化學(xué)性能方面具備顯著優(yōu)勢，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)?！叭虘B(tài)鋰電池的商業(yè)化將對實現(xiàn)‘碳達峰、碳中和’的目標有著重要意義，尤其在新能源電動汽車領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池或許是安全問題的最終解決方案。”馬騁說。
對于未來的研究計劃，馬騁表示課題組將嘗試把鋯離子換為其它四價陽離子進行固態(tài)電解質(zhì)合成，并繼續(xù)提高離子電導(dǎo)率等各項指標，不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池的性能。
