在零下50攝氏度的極端環(huán)境下，無論是新能源汽車，還是低空飛行器，人們都有望不再為電池?zé)o法支撐而焦慮。寧波東方理工大學(xué)講席教授、中國工程院外籍院士孫學(xué)良團(tuán)隊(duì)與美國馬里蘭大學(xué)莫一非教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種新型超離子導(dǎo)體，為實(shí)現(xiàn)高性能全固態(tài)電池提供了新的技術(shù)路徑。相關(guān)研究成果于10月10日發(fā)表在《Science》上。
研究人員開發(fā)了一種新型超離子導(dǎo)體：Li3Ta3O4Cl10，刷新了鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率，達(dá)到13.7毫西門子每厘米(mS/cm)，并制備了零下50攝氏度環(huán)境下具有優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的全固態(tài)電池。同時，研究人員提出了基于“四面體到四面體(Tet-to-Tet)”四面體結(jié)構(gòu)單元的快離子滲流網(wǎng)絡(luò)理論，并通過混合陰離子結(jié)構(gòu)調(diào)控成功構(gòu)建出所需的螺旋鏈狀Ta-Cl/O骨架結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的超高離子電導(dǎo)。
作為全固態(tài)電池的核心材料之一，固態(tài)電解質(zhì)材料是目前研究的一大熱點(diǎn)。離子電導(dǎo)率是固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵性能，其次是固態(tài)電解質(zhì)與正/負(fù)極材料之間的界面相容性。目前，固態(tài)電解質(zhì)研究領(lǐng)域存在兩大挑戰(zhàn)：一是低能壘鋰傳輸路徑普遍只存在于硫化物；二是單一陰離子框架固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用遇到瓶頸。
基于長期在鹵化物固態(tài)電解質(zhì)的研究基礎(chǔ)，孫學(xué)良院士團(tuán)隊(duì)及其合作者設(shè)想了一種混合陰離子策略，旨在設(shè)計一個氧角共享的氧氯化物陰離子框架結(jié)構(gòu)，以誘導(dǎo)形成連續(xù)的“Tet-Tet”低能壘鋰離子遷移通道。另外，鑒于不同陰離子化學(xué)在離子電導(dǎo)率和(電)化學(xué)穩(wěn)定性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，這種方法可在保持高離子電導(dǎo)率的同時，替代液態(tài)電解質(zhì)并增強(qiáng)電化學(xué)穩(wěn)定性。
研究表明，該電解質(zhì)材料相較于傳統(tǒng)的硫化物(Li6PS5Cl)和鹵化物材料(Li3YCl6)具有顯著提高的空氣穩(wěn)定性。該材料結(jié)構(gòu)還具有高晶格容忍度的特點(diǎn)，適用于各類陰陽離子摻雜，用以實(shí)現(xiàn)低成本應(yīng)用和金屬鋰兼容性。所構(gòu)建的全固態(tài)電池在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了高倍率(3C)充放電超過4000圈的穩(wěn)定循環(huán)表現(xiàn)。在極端低溫環(huán)境下，電池在0.1C電流密度下仍可穩(wěn)定循環(huán)超過2000圈。
這項(xiàng)成果為理解和應(yīng)用混合陰離子固態(tài)電解質(zhì)提供了新思路，有望加速全固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在上述研究方向上深耕，包括優(yōu)化材料的合成工藝以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，并進(jìn)一步探索其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。
