中國科學技術大學馬騁教授又一全固態電池低成本的解決方案

1月8日，中國科學技術大學馬騁教授團隊針對全固態電池在循環時因為需要維持良好界面接觸而過于依賴外部壓力、難以實際應用的問題提出了一種低成本的解決方案——一種新型氧氯化物固態電解質1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃（LZACO）。該成果以“Mechanically compliant and cost-effective 1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃ solid electrolyte for all-solid-state batteries with improved cycling stability”為題發表在《自然·通訊》上。

審稿人認為這一發現“會對全固態電池做出重要貢獻”，并且認為該成果報道的方法有望“把實驗室研究延伸到大規模應用”。

LZACO通過機械化學合成法制備，采用Li₂CO₃替代昂貴的Li₂O作為鋰源，將合成時間從30小時大幅縮短至4小時。LZACO在25℃下離子電導率達到2.55mS/cm，同時硬度僅為0.22GPa，楊氏模量為1.41GPa，遠低于傳統無機固態電解質（硬度>1GPa）。生產成本降至43.70美元/升，顯著低于93.50美元/升的商業化閾值，為全固態電池的實用化提供了新路徑。

由鋰鋯鋁氯氧組成的軟包全固態電池的循環性能

通過對化學計量比展開系統性優化研究，科研人員發現，當Li2O的摩爾占比x設定為1.4、AlCl3的摩爾占比y為0.25時，LZACO材料呈現出以非晶態為主的結構特征。此時，該材料的活化能低至0.276電子伏特，這一特性使其具備了高效的鋰離子傳輸能力。

借助納米壓痕測試手段以及相場模擬技術，研究進一步揭示，LZACO材料具有較低的硬度和楊氏模量。這種特性有助于在電池運行過程中，有效維持電極與電解質之間的緊密接觸。在高正極負載（超過20毫克每平方厘米）的條件下，經過100次充放電循環后，其容量保持率最高可達90.11%。在倍率性能測試中，以LZACO為電解質的電池在10C的高倍率條件下，仍能保持75.5毫安時每克的放電容量。而且，在5兆帕的低堆疊壓力環境下，經過200次循環后，容量保持率超過82%，與對比電解質相比，優勢十分顯著。這些優異的性能充分驗證了LZACO材料在高能量密度電池領域具有良好的適用性。

在實際應用場景中，該電解質同樣表現出卓越的性能。軟包電池測試結果顯示，在30℃、0.1C的工作條件下，電池能夠穩定運行，且無需額外添加液態電解質。采用干膜技術制備的電極片尺寸達到厘米級別，支持快充慢放的充放電模式（4C充電/0.33C放電），經過231次循環后，容量保持率超過80%。LZACO材料通過雙陰離子共存以及非晶化結構的設計策略，成功解決了離子導率、機械順應性和成本之間的矛盾，為電動汽車等應用領域開發高性能全固態電池奠定了堅實的材料基礎。

據悉，該研究工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委、五礦新能的資助，其中五礦新能為該項研究工作提供了高鎳三元正極材料。

2024年12月16日，五礦新能與馬騁教授科研團隊簽署了《全固態電池用高鎳正極材料開發》合作。雙方將在未來2年內共同開發適配全固態電池的先進正極材料，采取技術共享、聯合研發、產業鏈協同等多元化合作方式，共同推動全固態電池領域的技術創新與發展。此次成果的報道也是雙方合作產學研深度融合的生動實踐，更是破解全固態電池核心材料瓶頸、加速技術產業化落地的有力印證。

信息來源：中國科學技術大學、五礦新能、nature communications

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