近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授針對全固態(tài)電池在循環(huán)時因為需要維持良好界面接觸而過于依賴外部壓力、難以實際應(yīng)用的問題提出了一種低成本的解決方案。1月8日，該成果以“Mechanically compliant and cost-effective 1.4Li2O-0.75ZrCl4-0.25AlCl3solid electrolyte for all-solid-state batteries with improved cycling stability”為題發(fā)表在《自然·通訊》上。
全固態(tài)鋰電池有望打破目前商業(yè)化液態(tài)鋰離子電池?zé)o法兼顧高安全性和高能量密度的瓶頸。然而，由于全固態(tài)電池的電解質(zhì)和電極都是固體，兩者往往必須在幾十甚至上百兆帕的外部壓力下才能維持良好的界面接觸，這一超高壓力在實際場景中幾乎不可能實現(xiàn)，導(dǎo)致全固態(tài)電池?zé)o法投入實際應(yīng)用。為了使全固態(tài)電池能夠在較低壓力下正常工作，固態(tài)電解質(zhì)需要在很有限的壓力下也能充分變形，以維持良好的固固接觸。與此同時，固態(tài)電解質(zhì)還必須同時具備高離子電導(dǎo)率、低成本等一系列商業(yè)化所必須的特質(zhì)，這為材料開發(fā)帶來了很大挑戰(zhàn)。
由鋰鋯鋁氯氧組成的軟包全固態(tài)電池的循環(huán)性能
在本次研究中，馬騁教授開發(fā)了一種新型固態(tài)電解質(zhì)鋰鋯鋁氯氧，實現(xiàn)了上述性能。和包括硫化物固態(tài)電解質(zhì)在內(nèi)的其他主流無機固態(tài)電解質(zhì)相比，鋰鋯鋁氯氧的楊氏模量不到其25%，硬度不到其10%，因此在壓力下的易變形性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些固態(tài)電解質(zhì)；與此同時，鋰鋯鋁氯氧作為無機粉末狀材料并不會像凝膠那樣過于容易流動，因此可以很好適配規(guī)模化生產(chǎn)需要的輥壓等工藝。在具備以上顯著力學(xué)性能優(yōu)勢的同時，鋰鋯鋁氯氧還實現(xiàn)了超過2毫西門子每厘米的離子電導(dǎo)率(高于1毫西門子每厘米即基本滿足實際應(yīng)用需求)。鋰鋯鋁氯氧的這些優(yōu)勢使得全固態(tài)電池循環(huán)所需要的外部壓力從幾十或上百兆帕降低到了5兆帕；在5兆帕壓力下，由鋰鋯鋁氯氧和鎳含量高達92%、從而具備極高能量密度的超高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池實現(xiàn)了數(shù)百圈的穩(wěn)定循環(huán)。而且，鋰鋯鋁氯氧不含低地殼豐度元素，成本不到主流硫化物固態(tài)電解質(zhì)的5%，較為適合商業(yè)化。
審稿人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)“會對全固態(tài)電池做出重要貢獻”，并且認(rèn)為該成果報道的方法有望“把實驗室研究延伸到大規(guī)模應(yīng)用”。
本研究工作得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、五礦新能的資助。五礦新能為本研究工作提供了高鎳三元正極材料。
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