【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授開發(fā)了一種新型硫化物固態(tài)電解質(zhì)。這種固態(tài)電解質(zhì)在展示硫化物固態(tài)電解質(zhì)固有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了其它硫化物固態(tài)電解質(zhì)所無法達(dá)到的極其低廉、適合商業(yè)化的成本。該成果以“A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition上。
全固態(tài)電池有望克服目前商業(yè)化鋰離子電池在續(xù)航、安全性上難以兼顧的瓶頸，從而突破目前電池技術(shù)的玻璃天花板。成功實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵，在于找到合適的固態(tài)電解質(zhì)。在氧化物、硫化物、鹵化物這三類固態(tài)電解質(zhì)中，硫化物是唯一同時(shí)具備良好負(fù)極相容性(從而能適配金屬鋰、硅等高能量密度負(fù)極)和極低密度(從而有利于降低電池重量、提升電池能量密度)的固態(tài)電解質(zhì)；在世界范圍內(nèi)，日本豐田、韓國(guó)三星等知名企業(yè)，都在過去的十幾年間對(duì)硫化物固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行了大量的研發(fā)投入。但是，此類材料的成本普遍高于195美元每公斤，遠(yuǎn)高于實(shí)現(xiàn)商業(yè)化所需要的50美元每公斤；如果這一問題得不到解決，那么由硫化物構(gòu)成的全固態(tài)電池即便實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)、裝車，也無法為市場(chǎng)所接受。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)成本居高不下的根源，在于它們的合成需要使用大量昂貴的硫化鋰(不低于650美元每公斤)。在多年的探索中，研究者曾嘗試了各種降低硫化鋰成本的方法，但發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)極為困難。而在此次的研究中，馬騁教授采取了完全不同的策略：他不再致力于降低硫化鋰的成本，而是開發(fā)了一種不以硫化鋰作為原料的硫化物固態(tài)電解質(zhì)——氧硫化磷鋰。這種固態(tài)電解質(zhì)可以水合氫氧化鋰和硫化磷作為原材料合成。由于這兩種物質(zhì)均成本低廉，氧硫化磷鋰的原材料成本僅14.42美元每公斤，不到其它硫化物固態(tài)電解質(zhì)的8%，也遠(yuǎn)低于50美元每公斤這一商業(yè)化的要求，具有很強(qiáng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力。
圖：氧硫化磷鋰和其它硫化物固態(tài)電解質(zhì)的原材料成本比較
同時(shí)，氧硫化磷鋰也很好的繼承了使硫化物固態(tài)電解質(zhì)區(qū)別于氧化物、鹵化物固態(tài)電解質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：它同時(shí)具備極低的密度和良好的負(fù)極相容性。氧硫化磷鋰的密度僅1.7克每立方厘米，和其它硫化物固態(tài)電解質(zhì)相近，并且低于鹵化物(約2.5克每立方厘米)和氧化物固態(tài)電解質(zhì)(大都高于5克每立方厘米)。與此同時(shí)，氧硫化磷鋰和鋰金屬、硅這兩種高能量密度負(fù)極都展示了良好的相容性；它和鋰金屬組成的對(duì)稱電池能實(shí)現(xiàn)4200小時(shí)以上的室溫穩(wěn)定循環(huán)，而它和硅負(fù)極、高鎳三元正極組成的全固態(tài)軟包電池，在60攝氏度下循環(huán)200次后，仍具有89.29%的容量保持率。
審稿人認(rèn)為氧硫化磷鋰固態(tài)電解質(zhì)“同時(shí)具備低密度、良好的負(fù)極兼容性、以及強(qiáng)勁的成本競(jìng)爭(zhēng)力”，由氧硫化磷鋰組成的全固態(tài)電池具有“出色的循環(huán)性能”，它的發(fā)現(xiàn)對(duì)全固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部)
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