中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)全固態(tài)電池在循環(huán)時(shí)因?yàn)樾枰S持良好界面接觸而過于依賴外部壓力、難以實(shí)際應(yīng)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(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)“會(huì)對(duì)全固態(tài)電池做出重要貢獻(xiàn)”，并且認(rèn)為該成果報(bào)道的方法有望“把實(shí)驗(yàn)室研究延伸到大規(guī)模應(yīng)用”。

LZACO通過機(jī)械化學(xué)合成法制備，采用Li₂CO₃替代昂貴的Li₂O作為鋰源，將合成時(shí)間從30小時(shí)大幅縮短至4小時(shí)。LZACO在25℃下離子電導(dǎo)率達(dá)到2.55mS/cm，同時(shí)硬度僅為0.22GPa，楊氏模量為1.41GPa，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)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(shí)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(duì)化學(xué)計(jì)量比展開系統(tǒng)性優(yōu)化研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Li2O的摩爾占比x設(shè)定為1.4、AlCl3的摩爾占比y為0.25時(shí)，LZACO材料呈現(xiàn)出以非晶態(tài)為主的結(jié)構(gòu)特征。此時(shí)，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(cè)試手段以及相場(chǎng)模擬技術(shù)，研究進(jìn)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(yùn)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(fù)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(dá)90.11%。在倍率性能測(cè)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(shí)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(duì)比電解質(zhì)相比，優(yōu)勢(shì)十分顯著。這些優(yōu)異的性能充分驗(yàn)證了LZACO材料在高能量密度電池領(lǐng)域具有良好的適用性。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，該電解質(zhì)同樣表現(xiàn)出卓越的性能。軟包電池測(cè)試結(jié)果顯示，在30℃、0.1C的工作條件下，電池能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且無(wú)需額外添加液態(tài)電解質(zhì)。采用干膜技術(shù)制備的電極片尺寸達(dá)到厘米級(jí)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(shè)計(jì)策略，成功解決了離子導(dǎo)率、機(jī)械順應(yīng)性和成本之間的矛盾，為電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)高性能全固態(tài)電池奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

據(jù)悉，該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、五礦新能的資助，其中五礦新能為該項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(jìn)正極材料，采取技術(shù)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(dòng)全固態(tài)電池領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。此次成果的報(bào)道也是雙方合作產(chǎn)學(xué)研深度融合的生動(dòng)實(shí)踐，更是破解全固態(tài)電池核心材料瓶頸、加速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地的有力印證。

信息來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、五礦新能、nature communications

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