近日,一種鋰電池固態(tài)電解質(zhì)新材料——氯化鋯鋰的問世,成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米,而此前最廉價的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對應(yīng)的成本為23.05美元/平方米。
這種新材料由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團(tuán)隊設(shè)計并合成,該材料克服了鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的瓶頸,有望推進(jìn)安全且具有更大能量密度提升空間的全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)成果7月20日發(fā)表于《自然—通訊》。
值得關(guān)注的是,該成果發(fā)布的第二天,鋰電池板塊“漲聲”一片,飄紅股票占比87%,A股19只“鋰電池”股再創(chuàng)歷史新高。投資者認(rèn)為,這一重磅進(jìn)展有可能是引爆“鋰電池”板塊的推手之一,而市場也對這種“物美價廉”的新材料充滿期待。
“魚與熊掌”可兼得
當(dāng)前,傳統(tǒng)商用鋰電池自燃、爆炸事故時有發(fā)生。不久前,杭州電動車自燃事故仍讓人心有余悸。
“采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)商用鋰離子電池,具有體積小、容量大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),但其熱失控之后容易起火,甚至引發(fā)爆炸。”馬騁對《中國科學(xué)報》說,固態(tài)鋰電池中的固態(tài)電解質(zhì),可以杜絕液態(tài)電解質(zhì)帶來的“易燃易爆”與漏液等問題,實(shí)現(xiàn)安全儲能。
固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰電池最核心的部件,但其生產(chǎn)成本和綜合性能往往不可兼得,難以滿足商業(yè)化需求。
“雖然固態(tài)鋰電池具有更高的安全性,但固態(tài)電解質(zhì)原材料成本大多非常高,并且相當(dāng)一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對濕度的穩(wěn)定性不佳,需要在露點(diǎn)不超過零下40攝氏度的環(huán)境下制備和儲存,極大增加了生產(chǎn)成本。”馬騁坦言,這些都給全固態(tài)電池的商業(yè)化帶來巨大挑戰(zhàn)。
對生產(chǎn)成本和綜合性能來說,“魚與熊掌”能否兼得?馬騁團(tuán)隊設(shè)計并合成的新型氯化物固態(tài)電解質(zhì)材料——氯化鋯鋰,成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米,遠(yuǎn)低于10美元/平方米這一確保全固態(tài)電池市場競爭力的閾值。
除此之外,氯化鋯鋰在露點(diǎn)高達(dá)零下15攝氏度的相對潮濕氣氛中仍能保持穩(wěn)定,其合成和儲存對環(huán)境的要求并不苛刻,相對來說更容易制備,這也進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。
值得關(guān)注的是,生產(chǎn)成本的降低并不以犧牲性能為代價。
“這一新成果最大的亮點(diǎn),就是我們設(shè)計的材料在大幅降低規(guī)?;a(chǎn)成本的同時,仍然在綜合性能上有很強(qiáng)的競爭力。”馬騁表示,在離子電導(dǎo)率、可變形性以及與高電壓正極相容性等方面,氯化鋯鋰很好集成了硫化物、氧化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢。它與高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能,甚至可以比肩基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。
新材料并不完美
當(dāng)下主流的動力電池,無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰離子電池,均是采用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池,除了存在“易燃易爆”的弊病,能量密度也基本達(dá)到了“天花板”。
馬騁認(rèn)為,在新能源電動汽車領(lǐng)域,全固態(tài)鋰電池或許是安全問題的最終解決方案,將會成為鋰電池行業(yè)的顛覆者。此外,全固態(tài)電池可以使用更高能量的正負(fù)極材料,電池構(gòu)造也能提供更多“腦洞大開”的可能性。
然而,全固態(tài)鋰電池雖然被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍看好,但其商業(yè)化量產(chǎn)仍面臨諸多障礙,比如需要尋找更加適合量產(chǎn)的固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電解質(zhì)膜需要做得更薄等。
馬騁坦言,固態(tài)電解質(zhì)材料只有兼顧成本和性能,且具有巨大優(yōu)越性,才有全面替代液態(tài)電解質(zhì)的可能。此外,固態(tài)電解質(zhì)膜主要用來傳輸鋰離子,厚度做到10~40微米,在能量密度上才具備競爭力,這些重大障礙均非一朝一夕可以掃除。
氯化鋯鋰則是首個基于四價陽離子的高性能氯化物固態(tài)電解質(zhì),馬騁表示,它克服了生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸,并且在這兩方面均具備顯著優(yōu)勢,這在固態(tài)電解質(zhì)中十分罕見,為全固態(tài)電池商業(yè)化掃清了一大障礙。
“但需要特別說明的是,這一新材料并不完美。”馬騁坦言,氯化鋯鋰對于金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性并不好,這一不足仍需解決。目前,該團(tuán)隊正在試圖提升氯化鋯鋰對金屬鋰的穩(wěn)定性,以及研發(fā)基于氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池,不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池性能,并與相關(guān)企業(yè)合作推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。
“我相信隨著科技發(fā)展,各種障礙會一個個被清除。”馬騁說。