中國科學技術(shù)大學教授馬騁針對全固態(tài)鋰電池在循環(huán)時因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、較為適合商業(yè)化的解決方案。1月8日，該成果發(fā)表于《自然-通訊》。
全固態(tài)鋰電池有望打破目前液態(tài)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(tài)鋰電池的電解質(zhì)和電極都是固體，因此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，而實際場景中幾乎不可能實現(xiàn)如此高的壓力，導致全固態(tài)鋰電池無法投入實際應用。解決該問題的關(guān)鍵在于找到一種即便在低壓力下也能有效改變形狀、從而與體積不斷變化的電極材料維持緊密接觸的固態(tài)電解質(zhì)。與此同時，這種固態(tài)電解質(zhì)還需具備高離子電導率、低成本、適配規(guī)模化生產(chǎn)等一系列商業(yè)化所必須的特質(zhì)。這些苛刻要求給以上問題的解決帶來了很大挑戰(zhàn)。
在本次研究中，馬騁開發(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。與包括硫化物固態(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它們的25%，硬度不到它們的10%，因此可變形性遠超這些固態(tài)電解質(zhì)。同時，鋰鋯鋁氯氧仍然維持無機粉末的形態(tài)，從而可以較好的適配規(guī)�；韺砩a(chǎn)，在輥壓等高壓力環(huán)節(jié)不會像凝膠類材料一樣因過度延展被擠出。最終，研究團隊用適配規(guī)�；韺砩a(chǎn)且經(jīng)濟節(jié)能的干法工藝制備了使用超高鎳三元正極和金屬鋰負極的小型軟包全固態(tài)電池器件。
除了上述優(yōu)異的力學性能，鋰鋯鋁氯氧還展示了很高的離子電導率。這些優(yōu)勢使得全固態(tài)鋰電池穩(wěn)定循環(huán)所需要的壓力從幾十、上百兆帕降低到了實際應用中有可能達到的5兆帕，并在5兆帕下實現(xiàn)了數(shù)百次的穩(wěn)定循環(huán)。而且，不同于依賴昂貴的高純硫化鋰的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，鋰鋯鋁氯氧的核心原材料是極為經(jīng)濟的四氯化鋯，因此其成本不到主流硫化物固態(tài)電解質(zhì)的5%，具有較好的商業(yè)化前景。
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”。
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