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成本更低、性能更强:锂电池固态电解质研究取得(de)重要突破
来源:科研部 发布时间:2020-07-21 浏览次数:47

相(xiang)比于(yu)目前商(shang)(shang)业(ye)化的(de)锂(li)离子电(dian)(dian)池,全(quan)固态锂(li)电(dian)(dian)池兼(jian)具更(geng)(geng)高的(de)安(an)全(quan)性和(he)(he)更(geng)(geng)大的(de)能量密度提(ti)升空间,将为新能源汽车(che)的(de)全(quan)面(mian)普及和(he)(he)“碳(tan)达峰、碳(tan)中和(he)(he)”目标的(de)实现(xian)(xian)提(ti)供巨大助(zhu)力。但是,作(zuo)为全(quan)固态电(dian)(dian)池核心(xin)部件的(de)固态电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)材(cai)料,仍存在(zai)诸多瓶颈。特别(bie)的(de),在(zai)大规模生产的(de)成(cheng)本(ben)以及综合电(dian)(dian)化学(xue)(xue)性能上同时表现(xian)(xian)优(you)异(yi)的(de)固态电(dian)(dian)解(jie)质(zhi),目前尚未见报道。7月20日,中国科学(xue)(xue)技术大学(xue)(xue)的(de)马骋教授报道了一种(zhong)在(zai)这两方面(mian)同时具备显著优(you)势的(de)固态电(dian)(dian)解(jie)质(zhi),为全(quan)固态电(dian)(dian)池的(de)商(shang)(shang)业(ye)化移除了重大障碍;该成(cheng)果以“A cost-effective and humidity-tolerant chloride solid electrolyte forlithium batteries”为题发表在(zai)国际著名(ming)学(xue)(xue)术期刊《Nature Communications》上(DOI: 10.1038/s41467-021-24697-2)。

和(he)多(duo)年(nian)来被广泛(fan)研究(jiu)的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)与硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)(wu)固(gu)态电解(jie)质相比,近年(nian)来受(shou)关注程度急剧攀(pan)升的(de)氯化(hua)物(wu)(wu)(wu)固(gu)态电解(jie)质同时具备(bei)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)(wu)的(de)高离(li)子电导率、可(ke)变形性,以及(ji)氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)对高电压(ya)正(zheng)极材(cai)料的(de)稳定(ding)性,展示(shi)出相当独特(te)的(de)优势。但是(shi),受(shou)限于两大瓶颈,此类材(cai)料暂不(bu)具备(bei)大规(gui)模(mo)商业(ye)化(hua)的(de)可(ke)能性:1.原材(cai)料成(cheng)(cheng)本(ben)过高。为确保全固(gu)态电池的(de)市场竞争力,业(ye)界认为固(gu)态电解(jie)质材(cai)料的(de)成(cheng)(cheng)本(ben)不(bu)可(ke)高于10美元/平(ping)方米(J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4581−4588),而对目(mu)前成(cheng)(cheng)本(ben)最低廉的(de)卤(lu)化(hua)物(wu)(wu)(wu)固(gu)态电解(jie)质Li3YCl6而言,即便厚度(du)(du)低至对现有工艺已具有相当挑战(zhan)的(de)50微米,原材料成本仍高达23.05美元/平方米。2.对湿度(du)(du)的(de)稳定性差。目前对湿度(du)(du)耐受性最强(qiang)的(de)氯(lv)化物固态电解质Li3InCl6,甚至无法(fa)在湿(shi)度(du)低(di)至1%的(de)(de)气氛中(zhong)保持稳(wen)定。因此,和硫化物固态(tai)电解质类似,氯(lv)化物固态(tai)电解质的(de)(de)生(sheng)产、储存、使用等都对气氛有着(zhe)极(ji)其严格的(de)(de)要(yao)求,这从另一方面大幅增加了大规模生(sheng)产的(de)(de)成本(ben)。

中国科学(xue)(xue)技术大(da)学(xue)(xue)马骋教授(shou)课题组设计并合成的Li2ZrCl6材料,在完美(mei)继承了氯化(hua)物固态电解质所有优势的(de)(de)基础上,克服了以(yi)上两个瓶颈。这(zhei)种材料在50微米(mi)厚度(du)时的(de)(de)原材料成(cheng)本仅为1.38美(mei)元(yuan)/平(ping)方(fang)米(mi),远(yuan)远(yuan)低于上述10美(mei)元(yuan)/平(ping)方(fang)米(mi)的(de)(de)阈值,并且(qie)它(ta)在湿度(du)高达5%时仍(reng)保持稳定,可(ke)在一般(ban)的(de)(de)干(gan)燥间合成(cheng)和储存(cun)。在具备以(yi)上独特优势的(de)(de)同时,Li2ZrCl6在其他方面不逊于已报道的(de)氯(lv)化物(wu)固态电(dian)解质;它的(de)离子电(dian)导率高达(da)0.81 mS cm-1,并(bing)且具有良(liang)好的可变(bian)形性(xing)、对空气的稳定性(xing),以及和(he)高电(dian)压正极(ji)的相(xiang)容(rong)性(xing)。用Li2ZrCl6固态(tai)电解质(zhi)组成的(de)全固态(tai)电池(chi)(chi)在性能上(shang)甚至略高于其他氯化物固态(tai)电解质(zhi)组成的(de)电池(chi)(chi),并且远(yuan)(yuan)远(yuan)(yuan)超过基于硫(liu)化物和氧化物固态(tai)电解质(zhi)的(de)同(tong)类电池(chi)(chi);特别(bie)的(de),Li2ZrCl6和高能量密度的单晶高镍三元正极(ji)LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(即NMC811)组成的(de)全(quan)固态电池,在200 mA g–1的大电流密度(du)下循环200圈之(zhi)后容量仍高达150 mAh g-1,并且在整个(ge)长循环过程(cheng)中(zhong)容(rong)量(liang)几乎无衰减。和其他固(gu)态(tai)电解质相(xiang)比,Li2ZrCl6罕见的在大规模生产(chan)的成本以及综(zong)合电化学性能这两方面同(tong)时具备显著优势,它(ta)的发(fa)现将对全固态电池的商业(ye)化产(chan)生重要(yao)的推(tui)动(dong)作用。

图1. Li2ZrCl6的(de)发现(xian)使(shi)氯化物固态(tai)电解质(zhi)兼具性能和量产(chan)成本的(de)优势(shi)。

该(gai)论文的(de)第一作(zuo)者为中国(guo)(guo)科(ke)学(xue)技(ji)(ji)术(shu)大(da)(da)学(xue)的(de)博士生王凯同学(xue),通讯作(zuo)者为中国(guo)(guo)科(ke)学(xue)技(ji)(ji)术(shu)大(da)(da)学(xue)的(de)马骋教授。该(gai)工作(zuo)得(de)到了(le)科(ke)技(ji)(ji)部(bu)国(guo)(guo)家(jia)重点研发(fa)计划、国(guo)(guo)家(jia)自然科(ke)学(xue)基(ji)金、中国(guo)(guo)科(ke)学(xue)技(ji)(ji)术(shu)大(da)(da)学(xue)重要(yao)方向项(xiang)目培育(yu)基(ji)金等项(xiang)目的(de)资(zi)助(zhu)。

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