全固态锂电池商业化进程加速：低成本高性能的电解质材料诞生

与目前主流的锂离子电池相比，全固态锂电池以其更高的安全性成为新能源汽车普及以及实现 “碳中和” 目标的下一代推动力。但作为全固态电池核心部件的固态电解质材料，仍有诸多问题亟待解决。

当前的主流固态电解质材料包括聚合物、氧化物和硫化物。氯化物固态电解质因为兼具硫化物的易变形性和高离子导电率，以及氧化物的高氧化电位的优势，成为固态电解质中的后起之秀。

但是，与硫化物固态电解质类似，氯化物固态电解质的生产和储存对环境有着严苛的要求，因为该材料耐潮性差，且因包含大量 Y、Tb-Lu、Sc 和 In 等稀土元素，制备成本居高不下。

近期，中国科学技术大学马骋教授课题组在 Nature Communications 上发表了有关固态电解质的最新研究成果，他们设计并合成了一种全新的氯化物固态电解质——氯化锆锂（Li2ZrCl6），该材料不但完美继承了氯化物固态电解质独特的优势，还成功突破了固态电解质成本高昂以及湿度耐受性差两大瓶颈，为全固态电池的商业化进程扫除障碍。在原材料成本方面，目前最廉价的卤化物固态电解质 Li3YCl6 在厚度低至 50 微米（该厚度对现有工艺水平已是相当大的挑战）时，原材料成本仍高达 23.05 美元/平方米。此前有研究者表示，为确保全固态电池的市场竞争力，固态电解质材料的成本不可高于 10 美元/平方米。而此次，马骋教授团队成功降低了固态电解质材料的成本，其研制的氯化锆锂材料在50微米厚度时，原材料价格仅为 1.38 美元/平方米。

图 | 不同氯化物固体电解质的原材料估价（来源：Nature Communications ）

在对湿度的耐受性方面，Li3InCl6 作为此前对湿度耐受性最强的氯化物固态电解质，也无法在湿度低至 1% 的环境中保持性能稳定。

而马骋教授团队的氯化锆锂材料在这方面有了较大的突破，测试过程中，研究人员将合成的氯化锆锂暴露在相对湿度为 5% 的大气中，发现其性能依旧保持稳定，并没有出现吸湿或电导率下降等现象。

因而该材料可在一般的干燥间合成和储存，同时从另一方面降低了制备和存储成本。

图 | 氯化锆锂发现前后，氯化物固态电解质和氧化物、硫化物固态电解质的优势对比

在具备以上优势的同时，氯化锆锂（Li2ZrCl6）在其他方面也丝毫不逊于已报道的氯化物固态电解质：它的离子电导率在室温下可达 0.81 mS cm-1，并且具有良好的可变形性以及和高电压正极的强相容性。

使用该材料和单晶高镍三元正极 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（即 NMC811）组成的全固态电池，在 200mA g–1 的大电流密度下循环 200 圈后，容量仍能高达 150mAh g–1 ，并且在整个长循环过程中几乎没有衰减。

和其他固态电解质相比，马骋教授团队此次推出的氯化锆锂材料，罕见地在规模化制备成本以及综合电化学性能这两方面，同时具有显著优势，这将对全固态电池的商业化产生重要的推动作用。