全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程加速：低成本高性能的電解質(zhì)材料誕生

當(dāng)前的主流固態(tài)電解質(zhì)材料包括聚合物、氧化物和硫化物。氯化物固態(tài)電解質(zhì)因?yàn)榧婢吡蚧锏囊鬃冃涡院透唠x子導(dǎo)電率，以及氧化物的高氧化電位的優(yōu)勢，成為固態(tài)電解質(zhì)中的后起之秀。

但是，與硫化物固態(tài)電解質(zhì)類似，氯化物固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)和儲存對環(huán)境有著嚴(yán)苛的要求，因?yàn)樵摬牧夏统毙圆?，且因包含大?Y、Tb-Lu、Sc 和 In 等稀土元素，制備成本居高不下。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授課題組在 Nature Communications 上發(fā)表了有關(guān)固態(tài)電解質(zhì)的最新研究成果，他們設(shè)計(jì)并合成了一種全新的氯化物固態(tài)電解質(zhì)——氯化鋯鋰（Li2ZrCl6），該材料不但完美繼承了氯化物固態(tài)電解質(zhì)獨(dú)特的優(yōu)勢，還成功突破了固態(tài)電解質(zhì)成本高昂以及濕度耐受性差兩大瓶頸，為全固態(tài)電池的商業(yè)化進(jìn)程掃除障礙。

在原材料成本方面，目前最廉價的鹵化物固態(tài)電解質(zhì) Li3YCl6 在厚度低至 50 微米（該厚度對現(xiàn)有工藝水平已是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)）時，原材料成本仍高達(dá) 23.05 美元/平方米。此前有研究者表示，為確保全固態(tài)電池的市場競爭力，固態(tài)電解質(zhì)材料的成本不可高于 10 美元/平方米。而此次，馬騁教授團(tuán)隊(duì)成功降低了固態(tài)電解質(zhì)材料的成本，其研制的氯化鋯鋰材料在50微米厚度時，原材料價格僅為 1.38 美元/平方米。

在對濕度的耐受性方面，Li3InCl6 作為此前對濕度耐受性最強(qiáng)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)，也無法在濕度低至 1% 的環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。

而馬騁教授團(tuán)隊(duì)的氯化鋯鋰材料在這方面有了較大的突破，測試過程中，研究人員將合成的氯化鋯鋰暴露在相對濕度為 5% 的大氣中，發(fā)現(xiàn)其性能依舊保持穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)吸濕或電導(dǎo)率下降等現(xiàn)象。

因而該材料可在一般的干燥間合成和儲存，同時從另一方面降低了制備和存儲成本。

在具備以上優(yōu)勢的同時，氯化鋯鋰（Li2ZrCl6）在其他方面也絲毫不遜于已報道的氯化物固態(tài)電解質(zhì)：它的離子電導(dǎo)率在室溫下可達(dá) 0.81 mS cm-1，并且具有良好的可變形性以及和高電壓正極的強(qiáng)相容性。

使用該材料和單晶高鎳三元正極 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（即 NMC811）組成的全固態(tài)電池，在 200mA g–1 的大電流密度下循環(huán) 200 圈后，容量仍能高達(dá) 150mAh g–1 ，并且在整個長循環(huán)過程中幾乎沒有衰減。

和其他固態(tài)電解質(zhì)相比，馬騁教授團(tuán)隊(duì)此次推出的氯化鋯鋰材料，罕見地在規(guī)?；苽涑杀疽约熬C合電化學(xué)性能這兩方面，同時具有顯著優(yōu)勢，這將對全固態(tài)電池的商業(yè)化產(chǎn)生重要的推動作用。

此次論文的第一作者是來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) M-Laboratory 的王凱，中科大材料科學(xué)與工程系教授馬騁擔(dān)任論文通訊作者。

現(xiàn)為中科大材料科學(xué)與工程系教授的馬騁本科就讀于清華大學(xué)，在美國愛荷華州大學(xué)獲得博士學(xué)位后，他先后在愛荷華州立大學(xué)和美國能源部的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。

2013 年，馬騁教授成為非贏利性的美國科研榮譽(yù)學(xué)會 Sigma Xi 的正式成員，該學(xué)會聚集了來自世界各地超過 10 萬名研究學(xué)者，上百名諾貝爾獲得者都曾是該學(xué)會成員。

2016 年，他入職中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，任教授、博導(dǎo)，并成立了 M-Laboratory，從事化學(xué)、物理和材料科學(xué)的跨學(xué)科研究。實(shí)驗(yàn)室目前的研究方向包括：全固態(tài)鋰電池固體電解質(zhì)及界面的研究，優(yōu)化，和設(shè)計(jì)、新型非鋰離子電池（鈉離子電池、氟離子電池和鎂離子電池等）電極材料的研究，以及應(yīng)用于電化學(xué)儲能研究的透射電鏡方法學(xué)。