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相比于目前商業化的鋰離子電池，全固態鋰電池兼具更高的安全性和更大的能量密度提升空間，將為新能源汽車的全面普及和“碳達峰、碳中和”目標的實現提供巨大助力。但是，作為全固態電池核心部件的固態電解質材料，仍存在諸多瓶頸。特別的，在大規模生產的成本以及綜合電化學性能上同時表現優異的固態電解質，目前尚未見報道。7月20日，中國科學技術大學的馬騁教授報道了一種在這兩方面同時具備顯著優勢的固態電解質，為全固態電池的商業化移除了重大障礙;該成果以“A cost-effective and humidity-tolerant chloride solid electrolyte for lithium batteries”為題發表在國際著名學術期刊《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-021-24697-2）。

 Li₂ZrCl₆的發現使氯化物固態電解質兼具性能和量產成本的優勢。

 和多年來被廣泛研究的氧化物與硫化物固態電解質相比，近年來受關注程度急劇攀升的氯化物固態電解質同時具備硫化物的高離子電導率、可變形性，以及氧化物對高電壓正極材料的穩定性，展示出相當獨特的優勢。但是，受限于兩大瓶頸，此類材料暫不具備大規模商業化的可能性：1. 原材料成本過高。為確保全固態電池的市場競爭力，業界認為固態電解質材料的成本不可高于10美元/平方米（J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4581?4588），而對目前成本最低廉的鹵化物固態電解質Li₃YCl₆而言，即便厚度低至對現有工藝已具有相當挑戰的50微米，原材料成本仍高達23.05美元/平方米。2. 對濕度的穩定性差。目前對濕度耐受性最強的氯化物固態電解質Li₃InCl₆，甚至無法在濕度低至1%的氣氛中保持穩定。因此，和硫化物固態電解質類似，氯化物固態電解質的生產、儲存、使用等都對氣氛有著極其嚴格的要求，這從另一方面大幅增加了大規模生產的成本。

 中國科學技術大學馬騁教授課題組設計并合成的Li₂ZrCl₆材料，在完美繼承了氯化物固態電解質所有優勢的基礎上，克服了以上兩個瓶頸。這種材料在50微米厚度時的原材料成本僅為1.38美元/平方米，遠遠低于上述10美元/平方米的閾值，并且它在濕度高達5%時仍保持穩定，可在一般的干燥間合成和儲存。在具備以上獨特優勢的同時，Li₂ZrCl₆在其他方面不遜于已報道的氯化物固態電解質；它的離子電導率高達0.81 mS cm^?1，并且具有良好的可變形性、對空氣的穩定性，以及和高電壓正極的相容性。用Li₂ZrCl₆固態電解質組成的全固態電池在性能上甚至略高于其他氯化物固態電解質組成的電池，并且遠遠超過基于硫化物和氧化物固態電解質的同類電池；特別的，Li₂ZrCl₆和高能量密度的單晶高鎳三元正極LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（即NMC811）組成的全固態電池，在200 mA g^–1的大電流密度下循環200圈之后容量仍高達150 mAh g^?1，并且在整個長循環過程中容量幾乎無衰減。和其他固態電解質相比，Li₂ZrCl₆罕見的在大規模生產的成本以及綜合電化學性能這兩方面同時具備顯著優勢，它的發現將對全固態電池的商業化產生重要的推動作用。

 該論文的第一作者為中國科學技術大學的博士生王凱同學，通訊作者為中國科學技術大學的馬騁教授。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學技術大學重要方向項目培育基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24697-2

參考資料：https://scms.ustc.edu.cn/2021/0721/c2320a517851/page.htm