氯化锆锂的发现使氯化物固态电解质兼具性能和成本的优势。
桂运安
这种新材料由中国科学技术大学教授马骋团队设计并合成，该材料克服了锂电池固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的瓶颈，有望推进安全且具有更大能量密度提升空间的全固态锂电池商业化进程。相关成果7月20日发表于《自然—通讯》。
值得关注的是，该成果发布的第二天，锂电池板块“涨声”一片，飘红股票占比87%，A股19只“锂电池”股再创历史新高。投资者认为，这一重磅进展有可能是引爆“锂电池”板块的推手之一，而市场也对这种“物美价廉”的新材料充满期待。
“鱼与熊掌”可兼得
当前，传统商用锂电池自燃、爆炸事故时有发生。不久前，杭州电动车自燃事故仍让人心有余悸。
“采用有机液态电解质的传统商用锂离子电池，具有体积小、容量大、使用寿命长等优点，但其热失控之后容易起火，甚至引发爆炸。”马骋对《中国科学报》说，固态锂电池中的固态电解质，可以杜绝液态电解质带来的“易燃易爆”与漏液等问题，实现安全储能。
固态电解质是固态锂电池最核心的部件，但其生产成本和综合性能往往不可兼得，难以满足商业化需求。
“虽然固态锂电池具有更高的安全性，但固态电解质原材料成本大多非常高，并且相当一部分性能很好的固态电解质对湿度的稳定性不佳，需要在露点不超过零下40摄氏度的环境下制备和储存，极大增加了生产成本。”马骋坦言，这些都给全固态电池的商业化带来巨大挑战。
对生产成本和综合性能来说，“鱼与熊掌”能否兼得？马骋团队设计并合成的新型氯化物固态电解质材料——氯化锆锂，成功将50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，远低于10美元/平方米这一确保全固态电池市场竞争力的阈值。
除此之外，氯化锆锂在露点高达零下15摄氏度的相对潮湿气氛中仍能保持稳定，其合成和储存对环境的要求并不苛刻，相对来说更容易制备，这也进一步降低了生产成本。
值得关注的是，生产成本的降低并不以牺牲性能为代价。
“这一新成果最大的亮点，就是我们设计的材料在大幅降低规模化生产成本的同时，仍然在综合性能上有很强的竞争力。”马骋表示，在离子电导率、可变形性以及与高电压正极相容性等方面，氯化锆锂很好集成了硫化物、氧化物固态电解质的优势。它与高镍三元正极组成的全固态电池的循环性能，甚至可以比肩基于液态电解质的锂离子电池。
新材料并不完美
当下主流的动力电池，无论是磷酸铁锂电池还是三元锂离子电池，均是采用液态电解质的锂离子电池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本达到了“天花板”。
马骋认为，在新能源电动汽车领域，全固态锂电池或许是安全问题的最终解决方案，将会成为锂电池行业的颠覆者。此外，全固态电池可以使用更高能量的正负极材料，电池构造也能提供更多“脑洞大开”的可能性。
然而，全固态锂电池虽然被科学界和产业界普遍看好，但其商业化量产仍面临诸多障碍，比如需要寻找更加适合量产的固态电解质材料、固态电解质膜需要做得更薄等。
马骋坦言，固态电解质材料只有兼顾成本和性能，且具有巨大优越性，才有全面替代液态电解质的可能。此外，固态电解质膜主要用来传输锂离子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具备竞争力，这些重大障碍均非一朝一夕可以扫除。
氯化锆锂则是首个基于四价阳离子的高性能氯化物固态电解质，马骋表示，它克服了生产成本和综合性能难以兼得的重大瓶颈，并且在这两方面均具备显著优势，这在固态电解质中十分罕见，为全固态电池商业化扫清了一大障碍。
“但需要特别说明的是，这一新材料并不完美。”马骋坦言，氯化锆锂对于金属锂负极的稳定性并不好，这一不足仍需解决。目前，该团队正在试图提升氯化锆锂对金属锂的稳定性，以及研发基于氯化锆锂的高能量密度软包电池，不断优化全固态锂电池性能，并与相关企业合作推进商业化进程。
“我相信随着科技发展，各种障碍会一个个被清除。”马骋说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24697-2
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