助力全固態鋰電池研發，中科大團隊固態電解質新發現
時間:2023-04-27 11:33來源:南方都市報 作者:綜合報道
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受益于新能源汽車的不斷增長,鋰電池行業迎來新一輪發展機遇。而傳統電池能量密度不足帶來的“里程焦慮”、安全性能不足帶來的“安全焦慮”等問題也愈發凸顯，已成為限制新能源汽車發展的一大障礙。固態鋰電池，由于其優異的安全性能和高能量密度，被認為是破解當前鋰離子電池“魔咒”的下一代動力電池解決方案。
作為核心組件，固態電解質很大程度上決定了固態鋰電池關鍵性能指標。近日，中國科學技術大學姚宏斌教授表示，經過3年多科研攻關，其所在團隊與合作者設計開發出一種全固態鋰電池所需的電解質新家族，能實現鋰離子的快速傳導同時做到固態鋰金屬電池的穩定循環。相關研究成果已發表在國際權威學術期刊《自然》(Nature)上。
“我們預期在未來10年左右能看到固態鋰電池的新產品，如果10年看不到希望，我也承認失敗。”姚宏斌謹慎地表示，從基礎研究中的新發現，再到電池的最終應用，是個非常復雜的問題，需要更多外部的支持。到那時，“全固態電池可以讓電動汽車續航里程超過2000公里,它的能量密度會比目前的鋰電子電池翻一番。”
姚宏斌教授。 代蕊 攝
目前全球尚未有成熟的全固態鋰電池發布
所謂固態電池，即電池使用固體電極和固體電解質，而不是傳統鋰離子電池中的液體或凝膠電解質。日前，在第二屆世界動力電池大會云上宜賓高端論壇中，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高表示，與目前的鋰電池相比，全固態電池優勢明顯：充電速度可提高三倍，而且不受溫度限制；能量密度翻倍，讓電車跑得更遠；更重要的是，由于固態電解質在電池反應中較液態電解質副反應少，化學性質更穩定，穿刺后也不用擔心安全問題。
現在全球已經有無數人投入到了這場創新運動。據姚宏斌團隊介紹，當前全固態電池主要有三種技術路線：第一種常用的是硫化物固態電解質材料。日本豐田公司是全球范圍內硫化物固態電池領域的龍頭企業。此外，松下、三星、寧德時代均選擇了硫化物電解質路線。盡管硫化物電解質室溫離子電導率高，但是空氣穩定性較差，要實現量產必須突破生產環境限制并解決安全問題，研發難度較大。
第二種常用的是聚合物固態電解質，包括聚環氧乙烷、聚丙烯腈等。該路線具有高溫時離子電導率高、易于加工、電解質/電極的界面阻抗可控等優點，是最早產業化的技術路線。其主要缺點在于低溫時離子電導率低。
第三種常用的是氧化物固態電解質，這也是目前全球固態電池參與企業最多的技術路線。氧化物電解質室溫電導率相對較高、電化學穩定性好、循環性能良好，但電解質與正負極材料界面接觸差導致界面阻抗高，需要引入少量的液態電解質來降低界面阻抗，很難實現全固態電池。
“目前沒有成熟的全固態鋰電池發布。”姚宏斌稱。目前，全固態電池尚有多個技術難點亟須突破，如電解質室溫離子電導率低、電解質與電極界面阻抗過高導致電池內阻明顯增加、循環性能差，倍率性能變差等問題尚未得到解決。
姚宏斌在介紹實驗室工作情況。 南都記者 王凡 攝
預計未來10年看到全新固態鋰金屬電池產品
姚宏斌團隊的新發現對全固態鋰電池研究帶來了哪些突破？
據介紹，傳統的金屬鹵化物固態電解質晶格中氯離子是六方或立方緊密堆積，其空間體積較小，對鋰離子的傳導有一定限制。因此，開發對鋰金屬負極穩定的新型快離子導體框架結構是發展高比能全固態鋰金屬電池面臨的關鍵挑戰。
“我們運氣比較好”，姚宏斌稱，作為材料實驗化學家，每天需要和實驗室的瓶瓶罐罐打交道。多次探索實驗后，姚宏斌團隊發現，鑭系金屬氯化物晶格中氯離子呈非緊密堆積形式，天然存在豐富的一維大尺寸孔道，適合鋰離子的高速傳輸，并可通過鑭空位形成連續的三維傳導。
此外，姚宏斌團隊還選擇高價離子摻雜策略來制造鑭空位，得益于大尺寸高速離子通道和相鄰通道間超強的交換作用，優化的金屬氯化物固態電解質表現出高室溫離子電導率和低活化能。
“就像你爬坡，坡越高越累，路越平坦走得越快，這種獨特的傳導機制，讓鋰離子在里面暢通無阻地自由穿梭。”姚宏斌稱。
也因此，研究人員組裝的全固態鋰金屬原型電池無須負極墊層和正極包覆等額外的常用界面穩定手段，即可實現室溫下穩定循環。“循環完后我們看到電解質和電極之間的接觸性仍然保持得很好，證明有望實現真正實用的全固態鋰金屬電池。”姚宏斌稱。
南都記者了解到，當前，全球約有50余家企業致力于固態電池的技術開發。總體而言，日韓處于技術領先地位，歐美企業廣泛布局，國內少數企業掌握部分核心技術。
距離實現全固態鋰電池的應用還有多遠？“我們預期在未來10年左右能看到全新固態鋰金屬電池的產品，如果10年看不到希望，我也承認失敗。”姚宏斌謹慎地表示，從基礎研究中的新發現，再到電池的最終應用，是個非常復雜的問題，需要更多外部的支持。到那時，“全固態電池可以讓電動汽車續航里程超過2000公里,它的能量密度會比目前的鋰電子電池翻一番。”
(責任編輯：子蕊)
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