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助力全固態(tài)鋰電池研發(fā)，中科大團(tuán)隊(duì)固態(tài)電解質(zhì)新發(fā)現(xiàn)
時(shí)間:2023-04-27 11:33來源:南方都市報(bào) 作者:綜合報(bào)道
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受益于新能源汽車的不斷增長,鋰電池行業(yè)迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇。而傳統(tǒng)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(fā)凸顯，已成為限制新能源汽車發(fā)展的一大障礙。固態(tài)鋰電池，由于其優(yōu)異的安全性能和高能量密度，被認(rèn)為是破解當(dāng)前鋰離子電池“魔咒”的下一代動(dòng)力電池解決方案。
作為核心組件，固態(tài)電解質(zhì)很大程度上決定了固態(tài)鋰電池關(guān)鍵性能指標(biāo)。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授表示，經(jīng)過3年多科研攻關(guān)，其所在團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)開發(fā)出一種全固態(tài)鋰電池所需的電解質(zhì)新家族，能實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速傳導(dǎo)同時(shí)做到固態(tài)鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上。
“我們預(yù)期在未來10年左右能看到固態(tài)鋰電池的新產(chǎn)品，如果10年看不到希望，我也承認(rèn)失敗。”姚宏斌謹(jǐn)慎地表示，從基礎(chǔ)研究中的新發(fā)現(xiàn)，再到電池的最終應(yīng)用，是個(gè)非常復(fù)雜的問題，需要更多外部的支持。到那時(shí)，“全固態(tài)電池可以讓電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程超過2000公里,它的能量密度會(huì)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(tài)鋰電池發(fā)布
所謂固態(tài)電池，即電池使用固體電極和固體電解質(zhì)，而不是傳統(tǒng)鋰離子電池中的液體或凝膠電解質(zhì)。日前，在第二屆世界動(dòng)力電池大會(huì)云上宜賓高端論壇中，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高表示，與目前的鋰電池相比，全固態(tài)電池優(yōu)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(yuǎn)；更重要的是，由于固態(tài)電解質(zhì)在電池反應(yīng)中較液態(tài)電解質(zhì)副反應(yīng)少，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，穿刺后也不用擔(dān)心安全問題。
現(xiàn)在全球已經(jīng)有無數(shù)人投入到了這場創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)。據(jù)姚宏斌團(tuán)隊(duì)介紹，當(dāng)前全固態(tài)電池主要有三種技術(shù)路線：第一種常用的是硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料。日本豐田公司是全球范圍內(nèi)硫化物固態(tài)電池領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。此外，松下、三星、寧德時(shí)代均選擇了硫化物電解質(zhì)路線。盡管硫化物電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率高，但是空氣穩(wěn)定性較差，要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)必須突破生產(chǎn)環(huán)境限制并解決安全問題，研發(fā)難度較大。
第二種常用的是聚合物固態(tài)電解質(zhì)，包括聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈等。該路線具有高溫時(shí)離子電導(dǎo)率高、易于加工、電解質(zhì)/電極的界面阻抗可控等優(yōu)點(diǎn)，是最早產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線。其主要缺點(diǎn)在于低溫時(shí)離子電導(dǎo)率低。
第三種常用的是氧化物固態(tài)電解質(zhì)，這也是目前全球固態(tài)電池參與企業(yè)最多的技術(shù)路線。氧化物電解質(zhì)室溫電導(dǎo)率相對較高、電化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)性能良好，但電解質(zhì)與正負(fù)極材料界面接觸差導(dǎo)致界面阻抗高，需要引入少量的液態(tài)電解質(zhì)來降低界面阻抗，很難實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池。
“目前沒有成熟的全固態(tài)鋰電池發(fā)布。”姚宏斌稱。目前，全固態(tài)電池尚有多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)亟須突破，如電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率低、電解質(zhì)與電極界面阻抗過高導(dǎo)致電池內(nèi)阻明顯增加、循環(huán)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(shí)驗(yàn)室工作情況。 南都記者 王凡 攝
預(yù)計(jì)未來10年看到全新固態(tài)鋰金屬電池產(chǎn)品
姚宏斌團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)對全固態(tài)鋰電池研究帶來了哪些突破？
據(jù)介紹，傳統(tǒng)的金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)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(dǎo)有一定限制。因此，開發(fā)對鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定的新型快離子導(dǎo)體框架結(jié)構(gòu)是發(fā)展高比能全固態(tài)鋰金屬電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
“我們運(yùn)氣比較好”，姚宏斌稱，作為材料實(shí)驗(yàn)化學(xué)家，每天需要和實(shí)驗(yàn)室的瓶瓶罐罐打交道。多次探索實(shí)驗(yàn)后，姚宏斌團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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(xù)的三維傳導(dǎo)。
此外，姚宏斌團(tuán)隊(duì)還選擇高價(jià)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?fù)ǖ篱g超強(qiáng)的交換作用，優(yōu)化的金屬氯化物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出高室溫離子電導(dǎo)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(dú)特的傳導(dǎo)機(jī)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(tài)鋰金屬原型電池?zé)o須負(fù)極墊層和正極包覆等額外的常用界面穩(wěn)定手段，即可實(shí)現(xiàn)室溫下穩(wěn)定循環(huán)。“循環(huán)完后我們看到電解質(zhì)和電極之間的接觸性仍然保持得很好，證明有望實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用的全固態(tài)鋰金屬電池。”姚宏斌稱。
南都記者了解到，當(dāng)前，全球約有50余家企業(yè)致力于固態(tài)電池的技術(shù)開發(fā)。總體而言，日韓處于技術(shù)領(lǐng)先地位，歐美企業(yè)廣泛布局，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)掌握部分核心技術(shù)。
距離實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰電池的應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？“我們預(yù)期在未來10年左右能看到全新固態(tài)鋰金屬電池的產(chǎn)品，如果10年看不到希望，我也承認(rèn)失敗。”姚宏斌謹(jǐn)慎地表示，從基礎(chǔ)研究中的新發(fā)現(xiàn)，再到電池的最終應(yīng)用，是個(gè)非常復(fù)雜的問題，需要更多外部的支持。到那時(shí)，“全固態(tài)電池可以讓電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程超過2000公里,它的能量密度會(huì)比目前的鋰電子電池翻一番。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽：
固態(tài)電解質(zhì)
全固態(tài)電池
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