中科大团队突破固态电池成本瓶颈，暴降94%！成果登上Nature子刊
丽雪
2021-08-06
13:54:55
来源：非常AI
韦丽雪 发自 副驾寺
智能车参考 报道 | 公众号 AI4Auto
电动车最贵的部件变得越来越便宜。
没错，就是电池。
中科大一项最新研究突破了固态电池的成本瓶颈。
他们合成了一种新型固态电解质，成本降低94%。
高性能、可变形性好，还比一般的固态电解质耐湿。
站在风口上的固态电池，正在加速落地。
中科大最新论文说了啥？
就在近期，中科大马骋教授团队在nature communications上发表了有关固态电池的最新研究成果。
这篇论文主要介绍了一种全新的氯化物固态电解质——氯化锆锂。
氯化物固态电解质是后起之秀，当前占据主流地位的是聚合物、氧化物和硫化物固态电解质。
尽管这种电解质同时具备了硫化物固态电解质的易变形性和高离子导电率，以及氧化物固态电解质对空气的稳定性和高氧化点位。
还是敌不过自身带有的两大bug：
一个是原材料价格昂贵。因为含有大量的Y、Tb-Lu、Sc和In等稀土元素，成本居高不下。
另一个是耐潮性差，即使在1%相对湿度的空气中也会迅速发生反应。
那么最新合成的氯化锆锂具有什么优势？
1、耐湿性强，暴露在相对湿度为5%的大气中，没有发生吸湿或电导率下降的迹象；
2、具有高电导率，在室温下为0.81mScm–1；
（不同加工条件下氯化锆锂的电导率）
3、与高电压正极相容性强，在200mA g–1的大电流密度下循环200圈后容量仍高达150mAh g–1 ，并且在整个长循环过程中几乎没有容量衰减。
与主流的固态电解质相比，最重要的一点还是便宜。
以现有的技术合成氯化物固态电解质，最低成本为23.05美元/㎡。
马骋教授的团队在论文中强调，固态电池想要以价格取胜，固态电解质的成本就必须降至10美元/㎡以下。
而氯化锆锂在50μm（微米）的厚度下，原材料成本仅为1.38美元/㎡，成本优势显而易见。
全方位降维打击的氯化锆锂并非完美，唯一的缺点就是对金属锂负极的稳定性较差。
据公开资料显示，固态电解质对负极材料的热稳定性差，可能会在加热升温过程中发生不同程度的热失控。
两者的界面接触稳定性差，则可能引发较大的界面接触电阻和电流分布不均匀，在重复充放电过程中降低电池性能。
在接受中国科学报采访时，马骋教授的团队表示正在努力克服这一缺陷。
一旦这个问题得到解决，基于氯化锆锂研发高能量密度的软包电池将唾手可得。
跨学科突破固态电解质
论文的第一作者王凯，以及论文的通讯作者马骋教授，均来自中科大M-Laboratory。
M-Laboratory成立于2016年，主要从事化学、物理和材料科学的跨学科研究。
主攻的领域为3个，分别是全固态锂电池、基于非锂离子的新型电池，以及应用于电化学储能研究的投射电镜方法学。
团队的灵魂人物马骋教授，现在是中科大材料科学与工程系的特任教授。
他本科就读于清华，毕业后前往美国爱荷华州大学攻读硕博学位。先后在爱荷华州立大学和所属美国能源部的橡树岭国家实验室从事博士后研究。
在美留学期间，马骋教授的论文多次获奖。
2013年，他成为了Sigma Xi的正式成员。
这个非赢利性的美国科研荣誉学会，聚集了超过10万名科学家和研究者。有200多名诺奖获得者曾是Sigama Xi的成员，比如著名的“DNA之父”詹姆斯·沃森。
想要成为正式会员，不仅要在某个领域取得突出的研究成果，还得通过现有成员的票选。
在马骋教授已发表的论文中，被引用得最多的一半都与固态电池相关。
“跨学科”成为了马骋教授突破固态电解质研究的醒目标签。
2019年，马骋教授和清华大学的南策文院士团队等人在顶级学术期刊《Matter》提出了原子级解决方案，能够有效解决固态电池中电极材料和固态电解质接触差的问题。
根据这一原理合成出的固态复合物电极呈现出优异的容量和倍率性能。
马骋教授认为，固态电池的电极和电解质接触问题就像木桶的短板。
学界已经研发出不少高性能的电极和固态电解质，但因为两者间难以实现良好接触，锂离子的传输效率大受限制。
去年，马骋教授的团队利用球差矫正透射电镜观测到了一种非周期性结构，发现了固态电解质在离子传输机理中存在的新问题。
除了晶界、点缺陷外，这种特殊结构也成为了研究固态电解质绕不开的关隘。
这项成果同样发表在了Nature的子刊上。
为什么固态电解质如此受研究者们的关注？
因为传统的锂离子电池由正负极材料、电解质、电解液和隔膜组成。
全固态电池不靠电解液来传输离子，也没有隔膜，只包含了上面四要素的前两者。
这意味着，突破全固态电池技术最大的难点，就在正负极材料和电解质上。
未来电池的风会往哪里吹？
除了固态电池，马骋教授的团队还在密切关注着非锂离子电池。
比如最近宁德时代在线上发布会中推出的钠离子电池，也是他们的研究对象。
以及你可能没怎么听说过的氟离子电池。
对于固态电池，他们认为在量产之前必须接受这两个挑战。
其一，必须提高固态电解质的导电性，以便满足快速充放电的条件。
其二，要保证固态电解质和电极之间导电时的稳定性，即两者的接触问题。
解决了这两个问题，距离量产就只剩下降成本这一步之遥。
参考链接：
1、https://www.nature.com/articles/s41467-021-24697-2
2、https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.004
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