我國(guó)全固態(tài)電池新突破,低成本電解質(zhì)或加速推動(dòng)全固態(tài)電池商業(yè)化進(jìn)程

時(shí)間:2024-09-19

來(lái)源:OFweek電子工程網(wǎng)

導(dǎo)語(yǔ):據(jù)中科院之聲微博官宣,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授現(xiàn)開(kāi)發(fā)出了一種用于全固態(tài)電池的新型硫化物固態(tài)電解質(zhì)Li7P3S7.5O3.5(LPSO),該材料在具有硫化物固態(tài)電解質(zhì)固有優(yōu)勢(shì)的同時(shí),相較其他硫化物固態(tài)電解質(zhì),成本大幅降低,更適合商業(yè)化,相關(guān)研究成果已發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(DOI:10.1002/anie.202407892)。

  固態(tài)電池目前主要的技術(shù)線路包括:聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系,其自身特點(diǎn)如下:

固態(tài)電池

  通過(guò)上面各種技術(shù)線路對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)聚合物電解質(zhì)雖然柔韌性好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工,但是其離子電導(dǎo)率比較低,而且因其難以抑制鋰枝晶的形成,所以一般會(huì)搭配其他配方進(jìn)行使用,寧德時(shí)代之前發(fā)布的凝聚態(tài)電池是該技術(shù)線路上的一個(gè)產(chǎn)品。

  除聚合物電解質(zhì)外,氧化物電解質(zhì)是目前產(chǎn)業(yè)化最快的技術(shù)路線,其電導(dǎo)率明顯高于聚合物,并且熱穩(wěn)定性非常好,目前市面上半固態(tài)電池多采用氧化物電解質(zhì),其制造成本、電化學(xué)性能方面較為均衡,缺點(diǎn)是電導(dǎo)率較低、且因脆性較大,機(jī)械加工能力較差,導(dǎo)致其界面接觸性一般。界面接觸是指電解質(zhì)與正負(fù)極材料的接觸面相互作用和接觸的質(zhì)量,良好的界面接觸性對(duì)于降低電池內(nèi)阻、增加循環(huán)壽命和能量密度非常重要。液態(tài)電池有液態(tài)電解質(zhì)填充,接觸面貼合效果較好;而氧化物電解質(zhì)脆性大,難以與正負(fù)極材料進(jìn)行較好的貼合,影響其性能。

  硫化物電解質(zhì)處于產(chǎn)業(yè)化的初期,其離子電導(dǎo)率是四種技術(shù)線路中最高的,發(fā)展?jié)摿ψ畲?,并且硫化物電解質(zhì)機(jī)械性能較好,可以解決氧化物電解質(zhì)界面接觸問(wèn)題。

  鹵化物電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率方面與氧化物電解質(zhì)相近,但在界面接觸性和化學(xué)穩(wěn)定性上表現(xiàn)良好,目前處于科研層面。

  從上述各技術(shù)路線的分析可以看出,硫化物電解質(zhì)的發(fā)展?jié)摿薮?,但影響其產(chǎn)業(yè)化最大的問(wèn)題就是成本較高。常見(jiàn)硫化物電解質(zhì)有Li6PS5Cl、Li7P3S11、Li10GeP2S12、Li3PS4等,其原材料均含有Li2S,該材料的成本非常高,達(dá)到650美元/公斤,并且該材料在上述電解質(zhì)占據(jù)30%以上比例,所以對(duì)電解質(zhì)總體成本影響較大,致使硫化物電解質(zhì)成本高于195美元/公斤,該價(jià)格超過(guò)了市場(chǎng)普遍認(rèn)可的50美元/公斤商業(yè)化的成本閾值。

  馬騁教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)規(guī)避Li2S的使用,合成一種簡(jiǎn)稱LPSO的新材料,該材料采用廉價(jià)的Li2S提供Li離子,并采用P2S5提供S離子,將兩種原材料混合并通過(guò)機(jī)械球磨制備混合物,并在特定溫度下退火結(jié)晶,通過(guò)該團(tuán)隊(duì)特定工藝最終制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的LPSO材料,該材料的生產(chǎn)成本僅為14.42美元/公斤,該技術(shù)對(duì)于硫化物電解質(zhì)商用提供了新的解決思路,并且該材料密度僅為1.7g/cm3,遠(yuǎn)低于氧化物和鹵化物電解質(zhì),這對(duì)于提升材料的質(zhì)量能量密度至關(guān)重要。

  除此之外,固態(tài)電池負(fù)極兼容性也受到密切關(guān)注,因?yàn)楣虘B(tài)電池一般采用鋰金屬作為負(fù)極,而鋰元素作為一種活潑金屬,電解質(zhì)與負(fù)極鋰金屬兼容性較差的情況下,則易產(chǎn)生鋰枝晶以及不穩(wěn)定的SEI膜,從而造成負(fù)極鋰離子更大的損失以及更高的阻抗,這會(huì)進(jìn)一步惡化離子導(dǎo)電性,最終影響電池性能。而LPSO材料則表現(xiàn)出良好的負(fù)極兼容性,它在于鋰金屬和硅基負(fù)極結(jié)合時(shí),表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,這表明其實(shí)用化程度較高。

  在此之前,還沒(méi)有氧化物、硫化物或鹵化物固態(tài)電解質(zhì)能夠同時(shí)滿足低成本、低密度以及良好的離子導(dǎo)電性三個(gè)特性。LPSO材料的低成本、低密度以及優(yōu)異的負(fù)極兼容性使其成為非常有競(jìng)爭(zhēng)力的新配方。唯一不足的是,該材料的離子電導(dǎo)率未完全達(dá)到該材料的實(shí)際潛能,目前還處于氧化物和鹵化物之間的水平,造成該問(wèn)題的原因是,在現(xiàn)有的合成方法中,材料中會(huì)存在一部分的非晶相。非晶相指分子排列還未達(dá)到長(zhǎng)程有序的晶格化排列,影響鋰離子的電導(dǎo)率。也由于該問(wèn)題影響了LPSO材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和循環(huán)性能。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,該技術(shù)問(wèn)題是可以完全攻克的,因此從產(chǎn)業(yè)化最關(guān)注的成本角度來(lái)看,在LPSO材料未來(lái)提升電導(dǎo)率和循環(huán)壽命情況下,其成本以及其他方面的潛力是目前最優(yōu)固態(tài)電解質(zhì)之一,因?yàn)長(zhǎng)PSO在保持了各項(xiàng)優(yōu)異的性能的前提下,實(shí)現(xiàn)了成本的大幅下降,這無(wú)疑是突破性的進(jìn)展。

  長(zhǎng)安綠電科技有限公司致力于根本性地改善綠電在生活和工作中的應(yīng)用,積極提升鋰電池技術(shù),不斷完善產(chǎn)品能量密度與安全性問(wèn)題。長(zhǎng)安綠電與固態(tài)電池龍頭企業(yè)重慶太藍(lán)新能源簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,共同研發(fā)固態(tài)三元鋰電池軟包產(chǎn)品,推進(jìn)固態(tài)電池在家用儲(chǔ)能領(lǐng)域的深度應(yīng)用。

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