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近日，一種“物美價(jià)廉”的鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料問(wèn)世，這一新材料有望推進(jìn)安全且具有更大能量密度提升空間的全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程，讓全固態(tài)鋰電池“漸行漸近”。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種新材料——氯化鋯鋰，克服了鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸。相關(guān)成果7月20日發(fā)表于《自然·通訊》。值得關(guān)注的是，該成果發(fā)布的第二天，鋰電池板塊“漲聲”一片，飄紅股票占比87%，A股19只“鋰電池”股再創(chuàng)歷史新高。投資者認(rèn)為，這一重磅進(jìn)展有可能是引爆“鋰電池”板塊的推手之一，而市場(chǎng)也對(duì)這種“物美價(jià)廉”的新材料充滿(mǎn)期待。這種新型固態(tài)電解質(zhì)材料有何獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)？對(duì)于推進(jìn)全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程有何重要意義？

“魚(yú)”與“熊掌”可以兼得

當(dāng)前，傳統(tǒng)商用鋰電池自燃、爆炸的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命安全。“采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)商用鋰離子電池，具有體積小容量大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其熱失控之后容易起火，甚至引發(fā)爆炸。”馬騁介紹，固態(tài)鋰電池中的固態(tài)電解質(zhì)，可以杜絕液態(tài)電解質(zhì)帶來(lái)的“易燃易爆”與漏液等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)能。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰電池最核心的部件，但其生產(chǎn)成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿(mǎn)足商業(yè)化需求。“雖然固態(tài)鋰電池具有更高安全性，但其核心部件——固態(tài)電解質(zhì)的原材料成本大多非常高，并且相當(dāng)一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對(duì)濕度的穩(wěn)定性不佳，需要在露點(diǎn)不超過(guò)零下40攝氏度的環(huán)境下制備和儲(chǔ)存，極大增加了生產(chǎn)成本。”馬騁坦言，這為全固態(tài)電池的商業(yè)化帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)成本和綜合性能，這一對(duì)“魚(yú)”與“熊掌”能否兼得？馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成的新型氯化物固態(tài)電解質(zhì)材料——氯化鋯鋰，成功將50微米厚度時(shí)的原材料成本降低至每平方米1.38美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于每平方米10美元這一確保全固態(tài)電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的閾值，而此前最廉價(jià)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)應(yīng)的成本為每平方米23.05美元。

除此之外，氯化鋯鋰在露點(diǎn)高達(dá)零下15攝氏度的相對(duì)潮濕的氣氛中仍能保持穩(wěn)定，其合成和儲(chǔ)存對(duì)環(huán)境的要求并不苛刻，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易制備，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)成本的降低，并不以犧牲性能為代價(jià)。“這一新成果最大的亮點(diǎn)，就是我們?cè)O(shè)計(jì)的材料在大幅降低規(guī)模化生產(chǎn)成本的同時(shí)，仍然在綜合性能上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。”馬騁透露，在離子電導(dǎo)率、可變形性、與高電壓正極的相容性等方面，氯化鋯鋰很好地集成了硫化物、氧化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)；它和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能甚至已經(jīng)可以比肩基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。

“全固態(tài)”將成顛覆者

當(dāng)下主流的動(dòng)力電池，無(wú)論是磷酸鐵鋰電池，還是三元鋰離子電池，均是采用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，不僅在安全問(wèn)題存在“易燃易爆”的弊病，在能量密度上也基本達(dá)到了“天花板”。

目前，采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未完成商業(yè)化量產(chǎn)。與傳統(tǒng)商用鋰離子電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點(diǎn)就是安全性。馬騁教授認(rèn)為，在新能源電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池或許是安全問(wèn)題的最終解決方案，將會(huì)成為鋰電池行業(yè)的顛覆者。此外，全固態(tài)電池可以使用更高能量的正負(fù)極材料，電池構(gòu)造也能提供更多“腦洞大開(kāi)”的可能性。

然而，全固態(tài)鋰電池雖然被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍看好，其商業(yè)化量產(chǎn)仍面臨諸多重大障礙，比如需要尋找更加合適量產(chǎn)的固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電解質(zhì)膜需要做得更薄等。馬騁坦言，固態(tài)電解質(zhì)材料只有在成本、性能上能夠兼顧且有巨大優(yōu)越性，才有全面替代液態(tài)電解質(zhì)的可能；固態(tài)電解質(zhì)膜主要用來(lái)傳輸鋰離子，厚度做到10至40微米，在能量密度上才具備競(jìng)爭(zhēng)力，這些重大障礙均非一朝一夕可以?huà)叱?br />
馬騁團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新材料氯化鋯鋰，是首個(gè)基于四價(jià)陽(yáng)離子的高性能氯化物固態(tài)電解質(zhì)，它克服了生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸，并且在這兩方面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，這在固態(tài)電解質(zhì)中十分罕見(jiàn)，為全固態(tài)電池商業(yè)化掃清了一大障礙。

“需要特別說(shuō)明的是，這一新材料也并不完美。”馬騁介紹，氯化鋯鋰對(duì)于金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性不好，這一不足之處需要解決。目前，該團(tuán)隊(duì)正在試圖提升氯化鋯鋰對(duì)金屬鋰的穩(wěn)定性以及研發(fā)基于氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池，不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池性能。

動(dòng)力革命“漸行漸近”

正掀起新一輪動(dòng)力革命的全固態(tài)電池，是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，被譽(yù)為是電池技術(shù)的一個(gè)”終極目標(biāo)”。目前，三星、豐田、大眾等全球鋰電池巨頭均在布局固態(tài)電池，我國(guó)寧德時(shí)代、比亞迪、蔚來(lái)、國(guó)軒高科等企業(yè)也紛紛出手，搶占固態(tài)電池制高點(diǎn)。

2020年11月2日，國(guó)務(wù)院辦公廳正式發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，明確提出實(shí)施電池技術(shù)突破行動(dòng)，加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，首次將研發(fā)固態(tài)電池上升到了國(guó)家層面。最新發(fā)布的《安徽省新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023）》提出，我省新能源汽車(chē)發(fā)展方向?yàn)榧冸妱?dòng)為主、氫燃料示范、智能網(wǎng)聯(lián)賦能，打造世界級(jí)新能源汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)集群，到2023年全省新能源汽車(chē)產(chǎn)量占全國(guó)比重10%以上。

今年年初，總部位于合肥的蔚來(lái)汽車(chē)宣布，該公司已完成研發(fā)一款150度固態(tài)電池，計(jì)劃明年第4季度推出，從而將電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提升至1000公里以上。國(guó)軒高科相關(guān)負(fù)責(zé)人則表示，他們正在進(jìn)行固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)研究，計(jì)劃兩年內(nèi)引入相關(guān)技術(shù)，并逐步實(shí)現(xiàn)迭代升級(jí)，生產(chǎn)高安全固態(tài)電池。此前，豐田一直被認(rèn)為是最接近固態(tài)電池量產(chǎn)的企業(yè)，但豐田的固態(tài)電池還是停留在實(shí)驗(yàn)室階段，量產(chǎn)最快也要2025年。而寧德時(shí)代的固態(tài)電池，據(jù)悉也要到2030年才會(huì)面向市場(chǎng)推出。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，固態(tài)電池由于還存在一些現(xiàn)實(shí)的技術(shù)難關(guān)，無(wú)法同時(shí)達(dá)到“高能量密度、快速充電、長(zhǎng)循環(huán)壽命和寬溫度范圍工作”多重目標(biāo)，真正走向商業(yè)化可能還要一段時(shí)日。

馬騁團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新材料氯化鋯鋰，讓固態(tài)電解質(zhì)原材料成本驟降，且綜合性能顯著，這無(wú)疑給整個(gè)鋰電池行業(yè)打了一劑“強(qiáng)心針”。“我們正在與相關(guān)企業(yè)合作，共同推進(jìn)固態(tài)電池的商業(yè)化。“馬騁表示，相信隨著科技的不斷發(fā)展，各種技術(shù)障礙會(huì)一個(gè)個(gè)被清除，安全、穩(wěn)定、充電快、續(xù)航長(zhǎng)的全固態(tài)電池終將會(huì)“飛入尋常百姓家”。 

原標(biāo)題：固態(tài)電池離我們還有多遠(yuǎn)