新材料加速固態(tài)鋰電池商業(yè)化 “魚與熊掌”可兼得

近日，一種鋰電池固態(tài)電解質(zhì)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(jià)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對應(yīng)的成本為23.05美元/平方米。

這種新材料由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成，該材料克服了鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，有望推進(jìn)安全且具有更大能量密度提升空間的全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)成果7月20日發(fā)表于《自然—通訊》。

值得關(guān)注的是，該成果發(fā)布的第二天，鋰電池板塊“漲聲”一片，飄紅股票占比87%，A股19只“鋰電池”股再創(chuàng)歷史新高。投資者認(rèn)為，這一重磅進(jìn)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(jià)廉”的新材料充滿期待。

“魚與熊掌”可兼得

當(dāng)前，傳統(tǒng)商用鋰電池自燃、爆炸事故時(shí)有發(fā)生。不久前，杭州電動(dòng)車自燃事故仍讓人心有余悸。

“采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)商用鋰離子電池，具有體積小、容量大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但其熱失控之后容易起火，甚至引發(fā)爆炸。”馬騁對《中國科學(xué)報(bào)》說，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(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)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)鋰電池具有更高的安全性，但固態(tài)電解質(zhì)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(diǎn)不超過零下40攝氏度的環(huán)境下制備和儲(chǔ)存，極大增加了生產(chǎn)成本。”馬騁坦言，這些都給全固態(tài)電池的商業(yè)化帶來巨大挑戰(zhàn)。

對生產(chǎn)成本和綜合性能來說，“魚與熊掌”能否兼得?馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成的新型氯化物固態(tài)電解質(zhì)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(yuǎn)低于10美元/平方米這一確保全固態(tài)電池市場競爭力的閾值。

除此之外，氯化鋯鋰在露點(diǎn)高達(dá)零下15攝氏度的相對潮濕氣氛中仍能保持穩(wěn)定，其合成和儲(chǔ)存對環(huán)境的要求并不苛刻，相對來說更容易制備，這也進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

值得關(guān)注的是，生產(chǎn)成本的降低并不以犧牲性能為代價(jià)。

“這一新成果最大的亮點(diǎn)，就是我們設(shè)計(jì)的材料在大幅降低規(guī)?；a(chǎn)成本的同時(shí)，仍然在綜合性能上有很強(qiáng)的競爭力。”馬騁表示，在離子電導(dǎo)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(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢。它與高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能，甚至可以比肩基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。

新材料并不完美

當(dāng)下主流的動(dòng)力電池，無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰離子電池，均是采用液態(tài)電解質(zhì)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(dá)到了“天花板”。

馬騁認(rèn)為，在新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池或許是安全問題的最終解決方案，將會(huì)成為鋰電池行業(yè)的顛覆者。此外，全固態(tài)電池可以使用更高能量的正負(fù)極材料，電池構(gòu)造也能提供更多“腦洞大開”的可能性。

然而，全固態(tài)鋰電池雖然被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍看好，但其商業(yè)化量產(chǎn)仍面臨諸多障礙，比如需要尋找更加適合量產(chǎn)的固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電解質(zhì)膜需要做得更薄等。

馬騁坦言，固態(tài)電解質(zhì)材料只有兼顧成本和性能，且具有巨大優(yōu)越性，才有全面替代液態(tài)電解質(zhì)的可能。此外，固態(tài)電解質(zhì)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(gè)基于四價(jià)陽離子的高性能氯化物固態(tài)電解質(zhì)，馬騁表示，它克服了生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸，并且在這兩方面均具備顯著優(yōu)勢，這在固態(tài)電解質(zhì)中十分罕見，為全固態(tài)電池商業(yè)化掃清了一大障礙。

“但需要特別說明的是，這一新材料并不完美。”馬騁坦言，氯化鋯鋰對于金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性并不好，這一不足仍需解決。目前，該團(tuán)隊(duì)正在試圖提升氯化鋯鋰對金屬鋰的穩(wěn)定性，以及研發(fā)基于氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池，不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池性能，并與相關(guān)企業(yè)合作推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。

“我相信隨著科技發(fā)展，各種障礙會(huì)一個(gè)個(gè)被清除。”馬騁說。

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