全固態鋰電池可以克服目前商業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業是一項顛覆性技術。但是，由于全固態鋰電池的核心材料—固態電解質—難以兼顧性能和成本，目前該技術的產業化仍面臨巨大阻礙。6月27日，中國科學技術大學的馬騁教授報道了一種新型固態電解質，它的綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態電解質相近，但成本不到后者的4%，很適合產業化應用。該成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”為題發表在國際著名學術期刊《Nature Communications》上。

為了滿足實際應用的需求，全固態鋰電池的固態電解質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（250-350兆帕下實現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、氯化物固態電解質都無法同時滿足這些條件。氧化物作為脆性陶瓷，普遍不具備可變形性。硫化物和大部分氯化物則成本高昂，至少在200美元每公斤的量級。這些材料中唯一的例外是氯化鋯鋰，但是它的離子電導率卻遠低于1毫西門子每厘米。

此次研究中，馬騁教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉向氧氯化物，設計并合成了一種新型固態電解質—氧氯化鋯鋰。這種材料具有很強的成本優勢。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，很好的滿足了上述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勢的固態電解質氯化鋯鋰（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態電解質的4%。在具備極強成本優勢的同時，氧氯化鋯鋰的綜合性能和目前最先進的硫化物、氯化物固態電解質相當。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。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，也超過應用所需要的水平（250-350兆帕下90%以上致密）。由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態電池展示了極為優異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功的在室溫穩定循環2000圈以上。

氧氯化鋯鋰的發現，使固態電解質在性能、成本兩方面同時實現了突破，對全固態鋰電池的產業化具有重大意義。審稿人認為這一發現“很有新意和原創性”，并且認為氧氯化鋯鋰材料“很有前景”，“有益于固態電池技術的商業化”。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39522-1

（化學與材料科學學院、科研部）