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相比于目前商業(yè)化的鋰離子電池，全固態(tài)鋰電池兼具更高的安全性和更大的能量密度提升空間，將為新能源汽車的全面普及和“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)提供巨大助力。但是，作為全固態(tài)電池核心部件的固態(tài)電解質(zhì)材料，仍存在諸多瓶頸。特別的，在大規(guī)模生產(chǎn)的成本以及綜合電化學(xué)性能上同時表現(xiàn)優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)，目前尚未見報道。7月20日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授報道了一種在這兩方面同時具備顯著優(yōu)勢的固態(tài)電解質(zhì)，為全固態(tài)電池的商業(yè)化移除了重大障礙;該成果以“A cost-effective and humidity-tolerant chloride solid electrolyte for lithium batteries”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-021-24697-2）。

 Li₂ZrCl₆的發(fā)現(xiàn)使氯化物固態(tài)電解質(zhì)兼具性能和量產(chǎn)成本的優(yōu)勢。

 和多年來被廣泛研究的氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì)相比，近年來受關(guān)注程度急劇攀升的氯化物固態(tài)電解質(zhì)同時具備硫化物的高離子電導(dǎo)率、可變形性，以及氧化物對高電壓正極材料的穩(wěn)定性，展示出相當獨特的優(yōu)勢。但是，受限于兩大瓶頸，此類材料暫不具備大規(guī)模商業(yè)化的可能性：1. 原材料成本過高。為確保全固態(tài)電池的市場競爭力，業(yè)界認為固態(tài)電解質(zhì)材料的成本不可高于10美元/平方米（J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4581?4588），而對目前成本最低廉的鹵化物固態(tài)電解質(zhì)Li₃YCl₆而言，即便厚度低至對現(xiàn)有工藝已具有相當挑戰(zhàn)的50微米，原材料成本仍高達23.05美元/平方米。2. 對濕度的穩(wěn)定性差。目前對濕度耐受性最強的氯化物固態(tài)電解質(zhì)Li₃InCl₆，甚至無法在濕度低至1%的氣氛中保持穩(wěn)定。因此，和硫化物固態(tài)電解質(zhì)類似，氯化物固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)、儲存、使用等都對氣氛有著極其嚴格的要求，這從另一方面大幅增加了大規(guī)模生產(chǎn)的成本。

 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授課題組設(shè)計并合成的Li₂ZrCl₆材料，在完美繼承了氯化物固態(tài)電解質(zhì)所有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，克服了以上兩個瓶頸。這種材料在50微米厚度時的原材料成本僅為1.38美元/平方米，遠遠低于上述10美元/平方米的閾值，并且它在濕度高達5%時仍保持穩(wěn)定，可在一般的干燥間合成和儲存。在具備以上獨特優(yōu)勢的同時，Li₂ZrCl₆在其他方面不遜于已報道的氯化物固態(tài)電解質(zhì)；它的離子電導(dǎo)率高達0.81 mS cm^?1，并且具有良好的可變形性、對空氣的穩(wěn)定性，以及和高電壓正極的相容性。用Li₂ZrCl₆固態(tài)電解質(zhì)組成的全固態(tài)電池在性能上甚至略高于其他氯化物固態(tài)電解質(zhì)組成的電池，并且遠遠超過基于硫化物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的同類電池；特別的，Li₂ZrCl₆和高能量密度的單晶高鎳三元正極LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（即NMC811）組成的全固態(tài)電池，在200 mA g^–1的大電流密度下循環(huán)200圈之后容量仍高達150 mAh g^?1，并且在整個長循環(huán)過程中容量幾乎無衰減。和其他固態(tài)電解質(zhì)相比，Li₂ZrCl₆罕見的在大規(guī)模生產(chǎn)的成本以及綜合電化學(xué)性能這兩方面同時具備顯著優(yōu)勢，它的發(fā)現(xiàn)將對全固態(tài)電池的商業(yè)化產(chǎn)生重要的推動作用。

 該論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的博士生王凱同學(xué)，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)重要方向項目培育基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24697-2

參考資料：https://scms.ustc.edu.cn/2021/0721/c2320a517851/page.htm