中國科學技術大學的馬騁教授開發了一種新型硫化物固態電解質。這種固態電解質在展示硫化物固態電解質固有優勢的同時，實現了其它硫化物固態電解質所無法達到的極其低廉、適合商業化的成本。該成果以“A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility”為題發表在國際學術期刊Angewandte Chemie International Edition上。
全固態電池有望克服目前商業化鋰離子電池在續航、安全性上難以兼顧的瓶頸，從而突破目前電池技術的玻璃天花板。成功實現全固態電池商業化的關鍵，在于找到合適的固態電解質。在氧化物、硫化物、鹵化物這三類固態電解質中，硫化物是唯一同時具備良好負極相容性（從而能適配金屬鋰、硅等高能量密度負極）和極低密度（從而有利于降低電池重量、提升電池能量密度）的固態電解質；在世界范圍內，日本豐田、韓國三星等知名企業，都在過去的十幾年間對硫化物固態電解質進行了大量的研發投入。但是，此類材料的成本普遍高于195美元每公斤，遠高于實現商業化所需要的50美元每公斤；如果這一問題得不到解決，那么由硫化物構成的全固態電池即便實現了量產、裝車，也無法為市場所接受。
硫化物固態電解質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，但發現實現這一目標極為困難。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，而是開發了一種不以硫化鋰作為原料的硫化物固態電解質——氧硫化磷鋰。這種固態電解質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電解質的8%，也遠低于50美元每公斤這一商業化的要求，具有很強的成本競爭力。
圖：氧硫化磷鋰和其它硫化物固態電解質的原材料成本比較
同時，氧硫化磷鋰也很好的繼承了使硫化物固態電解質區別于氧化物、鹵化物固態電解質的獨特優勢：它同時具備極低的密度和良好的負極相容性。氧硫化磷鋰的密度僅1.7克每立方厘米，和其它硫化物固態電解質相近，并且低于鹵化物（約2.5克每立方厘米）和氧化物固態電解質（大都高于5克每立方厘米）。與此同時，氧硫化磷鋰和鋰金屬、硅這兩種高能量密度負極都展示了良好的相容性；它和鋰金屬組成的對稱電池能實現4200小時以上的室溫穩定循環，而它和硅負極、高鎳三元正極組成的全固態軟包電池，在60攝氏度下循環200次后，仍具有89.29%的容量保持率。
審稿人認為氧硫化磷鋰固態電解質“同時具備低密度、良好的負極兼容性、以及強勁的成本競爭力”，由氧硫化磷鋰組成的全固態電池具有“出色的循環性能”，它的發現對全固態電池的實際應用具有重要的推動作用。
相關論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407892
（化學與材料科學學院、科研部）
