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2024年07月01日
中国科大成功开发低成本硫化物固态电解质

中国科学技术大学的马骋教授开发了一种新型硫化物固态电解质。这种固态电解质在展示硫化物固态电解质固有优势的同时,实现了其它硫化物固态电解质所无法达到的极其低廉、适合商业化的成本。该成果以A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility为题发表在国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition上。

全固态电池有望克服目前商业化锂离子电池在续航、安全性上难以兼顾的瓶颈,从而突破目前电池技术的玻璃天花板。成功实现全固态电池商业化的关键,在于找到合适的固态电解质。在氧化物、硫化物、卤化物这三类固态电解质中,硫化物是唯一同时具备良好负极相容性(从而能适配金属锂、硅等高能量密度负极)和极低密度(从而有利于降低电池重量、提升电池能量密度)的固态电解质;在世界范围内,日本丰田、韩国三星等知名企业,都在过去的十几年间对硫化物固态电解质进行了大量的研发投入。但是,此类材料的成本普遍高于195美元每公斤,远高于实现商业化所需要的50美元每公斤;如果这一问题得不到解决,那么由硫化物构成的全固态电池即便实现了量产、装车,也无法为市场所接受。

硫化物固态电解质成本居高不下的根源,在于它们的合成需要使用大量昂贵的硫化锂(不低于650美元每公斤)。在多年的探索中,研究者曾尝试了各种降低硫化锂成本的方法,但发现实现这一目标极为困难。而在此次的研究中,马骋教授采取了完全不同的策略:他不再致力于降低硫化锂的成本,而是开发了一种不以硫化锂作为原料的硫化物固态电解质——氧硫化磷锂。这种固态电解质可以水合氢氧化锂和硫化磷作为原材料合成。由于这两种物质均成本低廉,氧硫化磷锂的原材料成本仅14.42美元每公斤,不到其它硫化物固态电解质的8%,也远低于50美元每公斤这一商业化的要求,具有很强的成本竞争力。

图:氧硫化磷锂和其它硫化物固态电解质的原材料成本比较

同时,氧硫化磷锂也很好的继承了使硫化物固态电解质区别于氧化物、卤化物固态电解质的独特优势:它同时具备极低的密度和良好的负极相容性。氧硫化磷锂的密度仅1.7克每立方厘米,和其它硫化物固态电解质相近,并且低于卤化物(约2.5克每立方厘米)和氧化物固态电解质(大都高于5克每立方厘米)。与此同时,氧硫化磷锂和锂金属、硅这两种高能量密度负极都展示了良好的相容性;它和锂金属组成的对称电池能实现4200小时以上的室温稳定循环,而它和硅负极、高镍三元正极组成的全固态软包电池,在60摄氏度下循环200次后,仍具有89.29%的容量保持率。

审稿人认为氧硫化磷锂固态电解质“同时具备低密度、良好的负极兼容性、以及强劲的成本竞争力”,由氧硫化磷锂组成的全固态电池具有“出色的循环性能”,它的发现对全固态电池的实际应用具有重要的推动作用。

相关论文信息:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407892

(化学与材料科学学院、科研部)

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