我國全固態(tài)電池新突破,低成本電解質或加速推動全固態(tài)電池商業(yè)化進程

時間:2024-09-19

來源:OFweek電子工程網

導語:據中科院之聲微博官宣,中國科學技術大學馬騁教授現開發(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Li7P3S7.5O3.5(LPSO),該材料在具有硫化物固態(tài)電解質固有優(yōu)勢的同時,相較其他硫化物固態(tài)電解質,成本大幅降低,更適合商業(yè)化,相關研究成果已發(fā)表于《德國應用化學》(DOI:10.1002/anie.202407892)。

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

固態(tài)電池

  通過上面各種技術線路對比,可以發(fā)現聚合物電解質雖然柔韌性好、質量輕、成本低、易于加工,但是其離子電導率比較低,而且因其難以抑制鋰枝晶的形成,所以一般會搭配其他配方進行使用,寧德時代之前發(fā)布的凝聚態(tài)電池是該技術線路上的一個產品。

  除聚合物電解質外,氧化物電解質是目前產業(yè)化最快的技術路線,其電導率明顯高于聚合物,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,其制造成本、電化學性能方面較為均衡,缺點是電導率較低、且因脆性較大,機械加工能力較差,導致其界面接觸性一般。界面接觸是指電解質與正負極材料的接觸面相互作用和接觸的質量,良好的界面接觸性對于降低電池內阻、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)電解質填充,接觸面貼合效果較好;而氧化物電解質脆性大,難以與正負極材料進行較好的貼合,影響其性能。

  硫化物電解質處于產業(yè)化的初期,其離子電導率是四種技術線路中最高的,發(fā)展?jié)摿ψ畲?,并且硫化物電解質機械性能較好,可以解決氧化物電解質界面接觸問題。

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

  從上述各技術路線的分析可以看出,硫化物電解質的發(fā)展?jié)摿薮?,但影響其產業(yè)化最大的問題就是成本較高。常見硫化物電解質有Li6PS5Cl、Li7P3S11、Li10GeP2S12、Li3PS4等,其原材料均含有Li2S,該材料的成本非常高,達到650美元/公斤,并且該材料在上述電解質占據30%以上比例,所以對電解質總體成本影響較大,致使硫化物電解質成本高于195美元/公斤,該價格超過了市場普遍認可的50美元/公斤商業(yè)化的成本閾值。

  馬騁教授團隊通過規(guī)避Li2S的使用,合成一種簡稱LPSO的新材料,該材料采用廉價的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機械球磨制備混合物,并在特定溫度下退火結晶,通過該團隊特定工藝最終制備出結構穩(wěn)定的LPSO材料,該材料的生產成本僅為14.42美元/公斤,該技術對于硫化物電解質商用提供了新的解決思路,并且該材料密度僅為1.7g/cm3,遠低于氧化物和鹵化物電解質,這對于提升材料的質量能量密度至關重要。

  除此之外,固態(tài)電池負極兼容性也受到密切關注,因為固態(tài)電池一般采用鋰金屬作為負極,而鋰元素作為一種活潑金屬,電解質與負極鋰金屬兼容性較差的情況下,則易產生鋰枝晶以及不穩(wěn)定的SEI膜,從而造成負極鋰離子更大的損失以及更高的阻抗,這會進一步惡化離子導電性,最終影響電池性能。而LPSO材料則表現出良好的負極兼容性,它在于鋰金屬和硅基負極結合時,表現出良好的穩(wěn)定性,這表明其實用化程度較高。

  在此之前,還沒有氧化物、硫化物或鹵化物固態(tài)電解質能夠同時滿足低成本、低密度以及良好的離子導電性三個特性。LPSO材料的低成本、低密度以及優(yōu)異的負極兼容性使其成為非常有競爭力的新配方。唯一不足的是,該材料的離子電導率未完全達到該材料的實際潛能,目前還處于氧化物和鹵化物之間的水平,造成該問題的原因是,在現有的合成方法中,材料中會存在一部分的非晶相。非晶相指分子排列還未達到長程有序的晶格化排列,影響鋰離子的電導率。也由于該問題影響了LPSO材料的長期穩(wěn)定性和循環(huán)性能。從長遠來看,該技術問題是可以完全攻克的,因此從產業(yè)化最關注的成本角度來看,在LPSO材料未來提升電導率和循環(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)電解質之一,因為LPSO在保持了各項優(yōu)異的性能的前提下,實現了成本的大幅下降,這無疑是突破性的進展。

  長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用,積極提升鋰電池技術,不斷完善產品能量密度與安全性問題。長安綠電與固態(tài)電池龍頭企業(yè)重慶太藍新能源簽訂戰(zhàn)略合作協議,共同研發(fā)固態(tài)三元鋰電池軟包產品,推進固態(tài)電池在家用儲能領域的深度應用。

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