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氧氯化鋯鋰和其它各類固態(tài)電解質(zhì)成本、性能的綜合比較 。中國科大供圖

中國科學技術(shù)大學教授馬騁開發(fā)了一種新型固態(tài)電解質(zhì)，它的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，適合進行產(chǎn)業(yè)化應用。6月27日，該成果發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《自然-通訊》上。

全固態(tài)鋰電池可以克服目前商業(yè)化鋰離子電池在安全性上的嚴重缺陷，同時進一步提升能量密度，對新能源車和儲能產(chǎn)業(yè)是一項顛覆性技術(shù)。但是，由于全固態(tài)鋰電池的核心材料——固態(tài)電解質(zhì)難以兼顧性能和成本，產(chǎn)業(yè)化仍面臨巨大阻礙。

為了滿足實際應用的需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時具備三個條件：高離子電導率（室溫下超過1毫西門子每厘米），良好的可變形性（250至350兆帕下實現(xiàn)90%以上致密），以及足夠低廉的成本（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(zhì)都無法同時滿足這些條件。

此次研究中，馬騁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(zhuǎn)向氧氯化物，設計并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰。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(zhì)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(zhì)的4%。

在具備極強成本優(yōu)勢的同時，氧氯化鋯鋰的綜合性能與目前最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當。它的室溫離子電導率高達2.42毫西門子每厘米，超過了應用所需要的1毫西門子每厘米，并且在目前報道的各類固態(tài)電解質(zhì)中位居前列。與此同時，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達到94.2%致密，可以很好的滿足應用需求，也優(yōu)于以易變形性著稱的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)（同等壓力下不足90%致密）。

實驗證明，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)鋰電池展示了極為優(yōu)異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功地在室溫穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。

研究人員介紹，氧氯化鋯鋰能以目前最低的成本實現(xiàn)和當下最先進的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近的性能，對全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。

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(shù)的商業(yè)化”。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39522-1

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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