中國科學技術大學馬騁教授又一全固態(tài)電池低成本的解決方案

1月8日，中國科學技術大學馬騁教授團隊針對全固態(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、難以實際應用的問題提出了一種低成本的解決方案——一種新型氧氯化物固態(tài)電解質(zhì)1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃（LZACO）。該成果以“Mechanically compliant and cost-effective 1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃ solid electrolyte for all-solid-state batteries with improved cycling stability”為題發(fā)表在《自然·通訊》上。

審稿人認為這一發(fā)現(xiàn)“會對全固態(tài)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(guī)模應用”。

LZACO通過機械化學合成法制備，采用Li₂CO₃替代昂貴的Li₂O作為鋰源，將合成時間從30小時大幅縮短至4小時。LZACO在25℃下離子電導率達到2.55mS/cm，同時硬度僅為0.22GPa，楊氏模量為1.41GPa，遠低于傳統(tǒng)無機固態(tài)電解質(zhì)（硬度>1GPa）。生產(chǎn)成本降至43.70美元/升，顯著低于93.50美元/升的商業(yè)化閾值，為全固態(tài)電池的實用化提供了新路徑。

由鋰鋯鋁氯氧組成的軟包全固態(tài)電池的循環(huán)性能

通過對化學計量比展開系統(tǒng)性優(yōu)化研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，當Li2O的摩爾占比x設定為1.4、AlCl3的摩爾占比y為0.25時，LZACO材料呈現(xiàn)出以非晶態(tài)為主的結(jié)構(gòu)特征。此時，該材料的活化能低至0.276電子伏特，這一特性使其具備了高效的鋰離子傳輸能力。

借助納米壓痕測試手段以及相場模擬技術，研究進一步揭示，LZACO材料具有較低的硬度和楊氏模量。這種特性有助于在電池運行過程中，有效維持電極與電解質(zhì)之間的緊密接觸。在高正極負載（超過20毫克每平方厘米）的條件下，經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，其容量保持率最高可達90.11%。在倍率性能測試中，以LZACO為電解質(zhì)的電池在10C的高倍率條件下，仍能保持75.5毫安時每克的放電容量。而且，在5兆帕的低堆疊壓力環(huán)境下，經(jīng)過200次循環(huán)后，容量保持率超過82%，與對比電解質(zhì)相比，優(yōu)勢十分顯著。這些優(yōu)異的性能充分驗證了LZACO材料在高能量密度電池領域具有良好的適用性。

在實際應用場景中，該電解質(zhì)同樣表現(xiàn)出卓越的性能。軟包電池測試結(jié)果顯示，在30℃、0.1C的工作條件下，電池能夠穩(wěn)定運行，且無需額外添加液態(tài)電解質(zhì)。采用干膜技術制備的電極片尺寸達到厘米級別，支持快充慢放的充放電模式（4C充電/0.33C放電），經(jīng)過231次循環(huán)后，容量保持率超過80%。LZACO材料通過雙陰離子共存以及非晶化結(jié)構(gòu)的設計策略，成功解決了離子導率、機械順應性和成本之間的矛盾，為電動汽車等應用領域開發(fā)高性能全固態(tài)電池奠定了堅實的材料基礎。

據(jù)悉，該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，其中五礦新能為該項研究工作提供了高鎳三元正極材料。

2024年12月16日，五礦新能與馬騁教授科研團隊簽署了《全固態(tài)電池用高鎳正極材料開發(fā)》合作。雙方將在未來2年內(nèi)共同開發(fā)適配全固態(tài)電池的先進正極材料，采取技術共享、聯(lián)合研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多元化合作方式，共同推動全固態(tài)電池領域的技術創(chuàng)新與發(fā)展。此次成果的報道也是雙方合作產(chǎn)學研深度融合的生動實踐，更是破解全固態(tài)電池核心材料瓶頸、加速技術產(chǎn)業(yè)化落地的有力印證。

信息來源：中國科學技術大學、五礦新能、nature communications

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