中国科大以低成本大幅缓解全固态电池对压力的依赖

　　近日，中国科学技术大学马骋教授针对全固态电池在循环时因为需要维持良好界面接触而过于依赖外部压力、难以实际应用的问题提出了一种低成本的解决方案。1月8日，该成果以“Mechanically compliant and cost-effective 1.4Li2O-0.75ZrCl4-0.25AlCl3solid electrolyte for all-solid-state batteries with improved cycling stability”为题发表在《自然·通讯》上。
 

　　全固态锂电池有望打破目前商业化液态锂离子电池无法兼顾高安全性和高能量密度的瓶颈。然而，由于全固态电池的电解质和电极都是固体，两者往往必须在几十甚至上百兆帕的外部压力下才能维持良好的界面接触，这一超高压力在实际场景中几乎不可能实现，导致全固态电池无法投入实际应用。为了使全固态电池能够在较低压力下正常工作，固态电解质需要在很有限的压力下也能充分变形，以维持良好的固固接触。与此同时，固态电解质还必须同时具备高离子电导率、低成本等一系列商业化所必须的特质，这为材料开发带来了很大挑战。
 

由锂锆铝氯氧组成的软包全固态电池的循环性能
 

　　在本次研究中，马骋教授开发了一种新型固态电解质锂锆铝氯氧，实现了上述性能。和包括硫化物固态电解质在内的其他主流无机固态电解质相比，锂锆铝氯氧的杨氏模量不到其25%，硬度不到其10%，因此在压力下的易变形性远远超过这些固态电解质；与此同时，锂锆铝氯氧作为无机粉末状材料并不会像凝胶那样过于容易流动，因此可以很好适配规模化生产需要的辊压等工艺。在具备以上显著力学性能优势的同时，锂锆铝氯氧还实现了超过2毫西门子每厘米的离子电导率(高于1毫西门子每厘米即基本满足实际应用需求)。锂锆铝氯氧的这些优势使得全固态电池循环所需要的外部压力从几十或上百兆帕降低到了5兆帕；在5兆帕压力下，由锂锆铝氯氧和镍含量高达92%、从而具备极高能量密度的超高镍三元正极组成的全固态电池实现了数百圈的稳定循环。而且，锂锆铝氯氧不含低地壳丰度元素，成本不到主流硫化物固态电解质的5%，较为适合商业化。
 

　　审稿人认为这一发现“会对全固态电池做出重要贡献”，并且认为该成果报道的方法有望“把实验室研究延伸到大规模应用”。
 

　　本研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委、五矿新能的资助。五矿新能为本研究工作提供了高镍三元正极材料。