中國科大以低成本大幅緩解全固態電池對壓力的依賴

　　【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學馬騁教授針對全固態電池在循環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”為題發表在《自然·通訊》上。
 

　　全固態鋰電池有望打破目前商業化液態鋰離子電池無法兼顧高安全性和高能量密度的瓶頸。然而，由于全固態電池的電解質和電極都是固體，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，導致全固態電池無法投入實際應用。為了使全固態電池能夠在較低壓力下正常工作，固態電解質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，固態電解質還必須同時具備高離子電導率、低成本等一系列商業化所必須的特質，這為材料開發帶來了很大挑戰。
 

由鋰鋯鋁氯氧組成的軟包全固態電池的循環性能
 

　　在本次研究中，馬騁教授開發了一種新型固態電解質鋰鋯鋁氯氧，實現了上述性能。和包括硫化物固態電解質在內的其他主流無機固態電解質相比，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遠超過這些固態電解質；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?；a需要的輥壓等工藝。在具備以上顯著力學性能優勢的同時，鋰鋯鋁氯氧還實現了超過2毫西門子每厘米的離子電導率(高于1毫西門子每厘米即基本滿足實際應用需求)。鋰鋯鋁氯氧的這些優勢使得全固態電池循環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電池實現了數百圈的穩定循環。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電解質的5%，較為適合商業化。
 

　　審稿人認為這一發現“會對全固態電池做出重要貢獻”，并且認為該成果報道的方法有望“把實驗室研究延伸到大規模應用”。
 

　　本研究工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委、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。