中国科学技术大学马骋教授又一全固态电池低成本的解决方案

1月8日，中国科学技术大学马骋教授团队针对全固态电池在循环时因为需要维持良好界面接触而过于依赖外部压力、难以实际应用的问题提出了一种低成本的解决方案——一种新型氧氯化物固态电解质1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃（LZACO）。该成果以“Mechanically compliant and cost-effective 1.4Li₂O-0.75ZrCl₄-0.25AlCl₃ solid electrolyte for all-solid-state batteries with improved cycling stability”为题发表在《自然·通讯》上。

审稿人认为这一发现“会对全固态电池做出重要贡献”，并且认为该成果报道的方法有望“把实验室研究延伸到大规模应用”。

LZACO通过机械化学合成法制备，采用Li₂CO₃替代昂贵的Li₂O作为锂源，将合成时间从30小时大幅缩短至4小时。LZACO在25℃下离子电导率达到2.55mS/cm，同时硬度仅为0.22GPa，杨氏模量为1.41GPa，远低于传统无机固态电解质（硬度>1GPa）。生产成本降至43.70美元/升，显著低于93.50美元/升的商业化阈值，为全固态电池的实用化提供了新路径。

由锂锆铝氯氧组成的软包全固态电池的循环性能

通过对化学计量比展开系统性优化研究，科研人员发现，当Li2O的摩尔占比x设定为1.4、AlCl3的摩尔占比y为0.25时，LZACO材料呈现出以非晶态为主的结构特征。此时，该材料的活化能低至0.276电子伏特，这一特性使其具备了高效的锂离子传输能力。

借助纳米压痕测试手段以及相场模拟技术，研究进一步揭示，LZACO材料具有较低的硬度和杨氏模量。这种特性有助于在电池运行过程中，有效维持电极与电解质之间的紧密接触。在高正极负载（超过20毫克每平方厘米）的条件下，经过100次充放电循环后，其容量保持率最高可达90.11%。在倍率性能测试中，以LZACO为电解质的电池在10C的高倍率条件下，仍能保持75.5毫安时每克的放电容量。而且，在5兆帕的低堆叠压力环境下，经过200次循环后，容量保持率超过82%，与对比电解质相比，优势十分显著。这些优异的性能充分验证了LZACO材料在高能量密度电池领域具有良好的适用性。

在实际应用场景中，该电解质同样表现出卓越的性能。软包电池测试结果显示，在30℃、0.1C的工作条件下，电池能够稳定运行，且无需额外添加液态电解质。采用干膜技术制备的电极片尺寸达到厘米级别，支持快充慢放的充放电模式（4C充电/0.33C放电），经过231次循环后，容量保持率超过80%。LZACO材料通过双阴离子共存以及非晶化结构的设计策略，成功解决了离子导率、机械顺应性和成本之间的矛盾，为电动汽车等应用领域开发高性能全固态电池奠定了坚实的材料基础。

据悉，该研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委、五矿新能的资助，其中五矿新能为该项研究工作提供了高镍三元正极材料。

2024年12月16日，五矿新能与马骋教授科研团队签署了《全固态电池用高镍正极材料开发》合作。双方将在未来2年内共同开发适配全固态电池的先进正极材料，采取技术共享、联合研发、产业链协同等多元化合作方式，共同推动全固态电池领域的技术创新与发展。此次成果的报道也是双方合作产学研深度融合的生动实践，更是破解全固态电池核心材料瓶颈、加速技术产业化落地的有力印证。

信息来源：中国科学技术大学、五矿新能、nature communications

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