7月2日,記者從中國科學技術大學獲悉,該校馬騁教授團隊在國際權威期刊《美國化學會志》發表研究成果,破解了低成本鋯基氧氯化物固態電解質與金屬鋰負極不相容的難題,從而使全固態電池中固態電解質的成本降低到22.73美元每度電,不到傳統硫化物路線的十二分之一。
全固態電池被視為下一代動力電池的核心方向。目前備受關注的硫化物路線雖然性能極為突出,卻面臨三重現實制約:成本遠高于市場準入門檻、固態電解質易燃,且核心專利早已被海外企業布局。相比之下,馬騁團隊近年開發的鋯基氧氯化物不依賴昂貴原材料、不含低地殼豐度元素、材料不可燃,被業界認為具備極大的低成本應用潛力;而且,該路線核心專利自主可控,風險遠低于硫化物路線。
然而,這條低成本路線此前長期卡在金屬鋰負極上。金屬鋰還原性極強,一旦與鋯基氧氯化物直接接觸,會還原其中的鋯離子,生成能傳導電子的鋯基金屬,導致界面反應不斷向內部推進。業內通行做法是在兩者之間增設一層硫化物作隔離——這意味著低成本路線走到負極一側,仍然繞不開硫化物的身影。
馬騁團隊提出的“非金屬陽離子摻入策略”,在鋯基氧氯化物固態電解質和金屬鋰的界面內部重塑了一道阻斷電子的屏障。團隊在鋯基氧氯化物中引入非金屬陽離子,使其與金屬鋰反應后的產物中,電子絕緣的非金屬化合物體積比大幅增加,從而將少量導電產物分隔為孤立顆粒,無法形成電子的連續傳輸通道,最終成功地抑制了進一步的還原反應。
實驗數據驗證了這一路徑的有效性:采用該方案的固態電解質,在鋰對稱電池中穩定循環達到5000小時;搭配五礦新能提供的工業級9系高鎳三元正極和金屬鋰負極的全固態電池,在80%容量保持率下實現了170次穩定循環,而換用鋰硅合金負極后,則實現了1312次穩定循環。
更關鍵的是,由于徹底擺脫了對昂貴的硫化物固態電解質的依賴,鋯基氧氯化物全固態電池中固態電解質的成本僅22.73美元每度電,而硫化物全固態電池中固態電解質的成本則高達280.47美元每度電,兩者相差超過12倍。
從實驗室到大規模產業化,這條路線仍需面對放大制備、工藝適配和良率控制等工程驗證。盡管鋯基氧氯化物全固態電池目前仍處于實驗室階段,但它在成本、安全和知識產權自主性上的獨特優勢為后續的工程化攻堅提供了明確的價值錨點,為全固態電池提供了一個性能不妥協、成本有優勢、專利能自主的技術路線。
責任編輯: 張磊