據(jù)安徽日報7月17日消息，日前從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校馬騁教授開發(fā)了一種新型固態(tài)電解質(zhì)，它的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，適合進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。6月27日，該成果發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。研究人員介紹，氧氯化鋯鋰能以目前最低的成本實現(xiàn)和當(dāng)下最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近的性能，對全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。
馬騁曾介紹，固態(tài)鋰電池中的固態(tài)電解質(zhì)，可以杜絕液態(tài)電解質(zhì)帶來的“易燃易爆”與漏液等問題，實現(xiàn)安全儲能。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰電池最核心的部件，但其生產(chǎn)成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿足商業(yè)化需求。
“雖然固態(tài)鋰電池具有更高安全性，但其核心部件——固態(tài)電解質(zhì)的原材料成本大多非常高，并且相當(dāng)一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對濕度的穩(wěn)定性不佳，需要在露點不超過零下40攝氏度的環(huán)境下制備和儲存，極大增加了生產(chǎn)成本。”馬騁坦言，這為全固態(tài)電池的商業(yè)化帶來巨大挑戰(zhàn)。
超強全固態(tài)鋰電池電解質(zhì)問世
據(jù)安徽日報報道，為了滿足實際應(yīng)用的需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時具備三個條件：高離子電導(dǎo)率——室溫下超過1毫西門子每厘米，良好的可變形性——250至350兆帕下實現(xiàn)90%以上致密，以及足夠低廉的成本——低于50美元每公斤。但是，目前被廣泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)都無法同時滿足這些條件。
此次研究中，馬騁不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉(zhuǎn)向氧氯化物，設(shè)計并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰。這種材料具有很強的成本優(yōu)勢。如果以水合氫氧化鋰、氯化鋰、氯化鋯進行合成，它的原材料成本僅為11.6美元每公斤，很好地滿足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化鋯、氯化鋰、氯化鋯進行合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進一步降低到約7美元每公斤，遠低于目前最具成本優(yōu)勢的固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態(tài)電解質(zhì)的4%。
在具備極強成本優(yōu)勢的同時，氧氯化鋯鋰的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)。它的室溫離子電導(dǎo)率高達2.42毫西門子每厘米，超過了應(yīng)用所需要的1毫西門子每厘米，并且在目前報道的各類固態(tài)電解質(zhì)中位居前列。與此同時，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達到94.2%致密，可以很好地滿足應(yīng)用需求，也優(yōu)于以易變形性著稱的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)。
實驗證明，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)鋰電池展示了極為優(yōu)異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功地在室溫穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。
目前，中國也有多家電池企業(yè)、整車企業(yè)以及科研院所等，紛紛布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游。但基于全固態(tài)電池的技術(shù)難度和高成本，中國企業(yè)大部分采取從半固態(tài)再到固態(tài)的漸進式研發(fā)路線，目前公布進展多集中在半固態(tài)電池上。
日本全固態(tài)電池獲得新突破
在固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化道路上，日企較為激進。
今年6月初，豐田宣布固態(tài)電池商業(yè)化的最新規(guī)劃，最早到2027年，豐田就將向市場投放搭載固態(tài)電池的電動汽車，充電不到10分鐘即可行駛約1200公里。
日產(chǎn)計劃在2028年推出首款搭載固態(tài)電池的量產(chǎn)車型；本田規(guī)劃在2024年啟用固態(tài)電池的實驗生產(chǎn)線，所生產(chǎn)的電池將用于2020年代后半期推出的車型，該生產(chǎn)線的投資將達到430億日元（約合21億元人民幣）。
據(jù)界面新聞7月16日報道，近日，日本東京工業(yè)大學(xué)特聘教授菅野了次等人組成的研究團隊，成功提高了全固態(tài)電池的快速充電性能和容量。該研究通過新開發(fā)基礎(chǔ)材料、重新研究制造工藝等方式得以實現(xiàn)，相關(guān)文章發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。
日本東京工業(yè)大的上述研究，利用高熵材料設(shè)計開發(fā)了一種高離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)，通過增加已知鋰快離子導(dǎo)體的成分復(fù)雜性，使得鋰離子電導(dǎo)率約為傳統(tǒng)材料的2.3-3.8倍，從而能縮短電池充電時間。這意味著，影響電池充電性能的指標(biāo)較當(dāng)前傳統(tǒng)電池相比最多可提高3.8倍，為目前全球最高水平。
此外，研究團隊改良了制造工藝，負(fù)極采用鋰金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨，使得正極容量按單位電極面積計算較當(dāng)前提高1.8倍。試制的全固態(tài)電池每平方厘米電極的電池容量超過20毫安，這也是全球目前公布的最高水平。
