近日，一種鋰電池固態電解質新材料——氯化鋯鋰的問世，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉價的氯化物固態電解質相對應的成本為23.05美元/平方米。
氯化鋯鋰的發現使氯化物固態電解質兼具性能和成本的優勢。
桂運安
這種新材料由中國科學技術大學教授馬騁團隊設計併合成，該材料克服了鋰電池固態電解質材料生產成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，有望推進安全且具有更大能量密度提升空間的全固態鋰電池商業化進程。相關成果7月20日發表於《自然—通訊》。
值得關注的是，該成果發布的第二天，鋰電池板塊“漲聲”一片，飄紅股票佔比87%，A股19隻“鋰電池”股再創歷史新高。投資者認為，這一重磅進展有可能是引爆“鋰電池”板塊的推手之一，而市場也對這種“物美價廉”的新材料充滿期待。
“魚與熊掌”可兼得
當前，傳統商用鋰電池自燃、爆炸事故時有發生。不久前，杭州電動車自燃事故仍讓人心有餘悸。
“採用有機液態電解質的傳統商用鋰離子電池，具有體積小、容量大、使用壽命長等優點，但其熱失控之後容易起火，甚至引發爆炸。”馬騁對《中國科學報》說，固態鋰電池中的固態電解質，可以杜絕液態電解質帶來的“易燃易爆”與漏液等問題，實現安全儲能。
固態電解質是固態鋰電池最核心的部件，但其生產成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿足商業化需求。
“雖然固態鋰電池具有更高的安全性，但固態電解質原材料成本大多非常高，並且相當一部分性能很好的固態電解質對濕度的穩定性不佳，需要在露點不超過零下40攝氏度的環境下製備和儲存，極大增加了生產成本。”馬騁坦言，這些都給全固態電池的商業化帶來巨大挑戰。
對生產成本和綜合性能來說，“魚與熊掌”能否兼得？馬騁團隊設計併合成的新型氯化物固態電解質材料——氯化鋯鋰，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，遠低於10美元/平方米這一確保全固態電池市場競爭力的閾值。
除此之外，氯化鋯鋰在露點高達零下15攝氏度的相對潮濕氣氛中仍能保持穩定，其合成和儲存對環境的要求並不苛刻，相對來說更容易製備，這也進一步降低了生產成本。
值得關注的是，生產成本的降低並不以犧牲性能為代價。
“這一新成果最大的亮點，就是我們設計的材料在大幅降低規模化生產成本的同時，仍然在綜合性能上有很強的競爭力。”馬騁表示，在離子電導率、可變形性以及與高電壓正極相容性等方面，氯化鋯鋰很好集成了硫化物、氧化物固態電解質的優勢。它與高鎳三元正極組成的全固態電池的循環性能，甚至可以比肩基於液態電解質的鋰離子電池。
新材料並不完美
當下主流的動力電池，無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰離子電池，均是採用液態電解質的鋰離子電池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本達到了“天花板”。
馬騁認為，在新能源電動汽車領域，全固態鋰電池或許是安全問題的最終解決方案，將會成為鋰電池行業的顛覆者。此外，全固態電池可以使用更高能量的正負極材料，電池構造也能提供更多“腦洞大開”的可能性。
然而，全固態鋰電池雖然被科學界和產業界普遍看好，但其商業化量產仍面臨諸多障礙，比如需要尋找更加適合量產的固態電解質材料、固態電解質膜需要做得更薄等。
馬騁坦言，固態電解質材料只有兼顧成本和性能，且具有巨大優越性，才有全面替代液態電解質的可能。此外，固態電解質膜主要用來傳輸鋰離子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具備競爭力，這些重大障礙均非一朝一夕可以掃除。
氯化鋯鋰則是首個基於四價陽離子的高性能氯化物固態電解質，馬騁表示，它克服了生產成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸，並且在這兩方面均具備顯著優勢，這在固態電解質中十分罕見，為全固態電池商業化掃清了一大障礙。
“但需要特別說明的是，這一新材料並不完美。”馬騁坦言，氯化鋯鋰對於金屬鋰負極的穩定性並不好，這一不足仍需解決。目前，該團隊正在試圖提升氯化鋯鋰對金屬鋰的穩定性，以及研發基於氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池，不斷優化全固態鋰電池性能，並與相關企業合作推進商業化進程。
“我相信隨着科技發展，各種障礙會一個個被清除。”馬騁說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24697-2