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自斯坦利·惠廷漢姆于1976年提出最早的鋰二次電池雛形，鋰離子電池的發(fā)展已有30多年歷史。目前，傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池已接近能量密度上限，并且存在熱失控風險。

在更高的安全性和能量密度要求下，固態(tài)電池應運而生。固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質的鋰離子電池，固態(tài)電解質和液態(tài)電解質一樣承擔著在正負極之間傳輸鋰離子的作用，傳輸機制有所不同。通過引入不可燃的固態(tài)電解質，可以本質上保證安全性，同時兼容高能量密度正負極。

固態(tài)電池有望成為下一代動力電池的終極解決方案，被譽為電池產(chǎn)業(yè)的“圣杯”，一旦能實現(xiàn)商業(yè)化，將帶來產(chǎn)業(yè)顛覆性變革。近期，有關固態(tài)電池的消息日益增多，在技術、市場的推動下，其產(chǎn)業(yè)化也正在臨近。

日前，三星SDI社長透露，“今年，我們已經(jīng)完成了全固態(tài)電池中試線的建設，準備在下半年生產(chǎn)樣機。”他還指出，“我們正在為下一代電池產(chǎn)品的開發(fā)和量產(chǎn)做準備，包括完成直徑46毫米圓柱形電池的‘M線’。”

7月4日，英國《金融時報》報道稱，在固態(tài)電池技術取得突破后，豐田表達了從電池尺寸到成本和重量均減半的決心。而在上個月舉行的以“改變汽車未來”為主題的技術說明會上，豐田表示計劃將在2027年開始為電動汽車生產(chǎn)固態(tài)電池，并稱已經(jīng)取得了解決電池耐久性問題的 "技術突破 "和 "材料解決方案"，這將使由固態(tài)電池驅動的電動汽車的續(xù)航能力達到1200公里，充電時間縮短至10分鐘。

在通往固態(tài)電池這一技術之巔上，中國科研院所也有好消息傳來。

據(jù)中國科學技術大學消息，近日，該校馬騁教授研發(fā)出一種新型固態(tài)電解質，它的綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質相近，但成本不到后者的4%，很適合產(chǎn)業(yè)化應用。6月27日，該成果發(fā)表在國際著名學術期刊《Nature Communications》上。

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什么是固態(tài)電池？

固態(tài)電池即是使用固態(tài)電解質的電池。

鋰電池由正極材料、負極材料、電解液、隔膜四大主材組成，起到輸送離子、傳導電流的作用。但液態(tài)電解質中，有機溶劑具有易燃性、高腐蝕性，同時抗氧化性較差、無法解決鋰枝晶問題，因此存在熱失控風險，也限制了高電壓正極、鋰金屬負極等高能量材料的使用。固態(tài)電池則是將電解液，部分或全部替換成固態(tài)電解質，可大幅提升電池的安全性、能量密度，是現(xiàn)有材料體系長期潛在技術方向。

依據(jù)電解質分類，電池可細分為液態(tài)（25wt%）、半固態(tài)（5-10wt%）、準固態(tài)（0-5wt%）和全固態(tài)（0wt%）四大類，其中半固態(tài)、準固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱為固態(tài)電池。聚合物、氧化物、硫化物是目前固態(tài)電池三大類固體電解質。相比液態(tài)電池，半固態(tài)電池減少電解液的用量，增加聚合物+氧化物復合電解質，其中聚合物以框架網(wǎng)絡形式填充，氧化物主要以隔膜涂覆+正負極包覆形式添加。全固態(tài)電池則取消了原有電解液，選用聚合物/氧化物/硫化物體系作為固態(tài)電解質，以薄膜的形式分割正負極，從而替代隔膜的作用。

資料顯示，為了滿足實際應用需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質至少需要同時具備三個條件：1）高離子電導率（室溫下超過1毫西門子每厘米）；2）良好的可變形性（250-350兆帕下實現(xiàn)90%以上致密），3）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)電解質都無法同時滿足這些條件。氧化物作為脆性陶瓷，普遍不具備可變形性。相比之下，硫化物和氯化物在特定壓力下都能變形，而且也相對容易達到較高的離子電導率。但是，用于合成硫化物的原材料Li2S價格相當高昂，其原材料成本將不低于196.25美元/kg。而氯化物想要達到較高的離子電導率（超過1毫西門子每厘米），幾乎都需要使用稀土或銦基氯化物等昂貴原料進行合成，因此原材料成本也相當高昂，大多在190美元/kg以上。

這些材料中唯一的例外是中科大馬騁教授課題組于2021年報道的固態(tài)電解質氯化鋯鋰（Li2ZrCl6）。由于其不含稀土元素或銦，因此原材料成本低于50美元/kg。但是，該材料離子電導率較低，只有0.5 毫西門子每厘米左右，無法滿足離子傳輸效率上的要求?？偟膩碚f，目前的氧化物、硫化物和氯化物固態(tài)電解質都不能在離子電導率、可變形性、成本競爭力上同時滿足應用需求。

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新型固態(tài)電解質如何兼具性能、成本優(yōu)勢

此次研究中，研究人員不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉向氧氯化物，設計并合成了一種新型固態(tài)電解質——氧氯化鋯鋰（Li1.75ZrC4.75O0.5），能在上述三方面同時勝任全固態(tài)電池需求。

首先，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)電解質的4%。

其次，在具備極強成本優(yōu)勢的同時，氧氯化鋯鋰的綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質相當。它的室溫離子電導率高達2.42毫西門子每厘米，滿足了大于1毫西門子每厘米的應用需求，并且和硫化物、稀土/銦基鹵化物相比也并不遜色。與此同時，氧氯化鋯鋰還具有良好的可變形性，在300 MPa冷壓之后的相對密度高達94.2%，超過了Li3InCl6、Li10GeP2S12等以良好可變形性著稱的固態(tài)電解質（同樣壓力下密度均低于90%），也超過應用所需要的水平（250-350兆帕下90%以上致密）。

此外，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池展示了極為優(yōu)異的性能。該電池在25°C、20 mA g-1下充放電時的首圈庫倫效率為87.31%。即使在1000 mA g-1的大電流密度下循環(huán)2082次之后，放電容量仍然能達到70.2 mAh g-1，和最近報道于Nature Energy的使用昂貴稀土氯化物的固態(tài)電解質所組成類似電池的性能不相上下。

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未來

氧氯化鋯鋰的發(fā)現(xiàn)，使固態(tài)電解質在性能、成本兩方面同時實現(xiàn)了突破，對全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化具有重大意義，為全固態(tài)電池的商業(yè)化鋪平了道路。審稿人認為這一發(fā)現(xiàn)“很有新意和原創(chuàng)性”，并且認為氧氯化鋯鋰材料“很有前景”，“有益于固態(tài)電池技術的商業(yè)化”。

基于氧氯化鋯鋰的全新固態(tài)電解質在技術理論層面已經(jīng)有了質的突破，而這一技術的出現(xiàn)將會給固態(tài)電池走向產(chǎn)業(yè)化提供一個全新的方向。 

原標題：降本96%！全新電解質為固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化提供新方向