开创固态电池革命新时代 中科院开发出新型粘弹性无机玻璃

　　盖世汽车讯 据外媒报道，由中国科学院物理研究所胡勇胜研究员领导的研究团队在固态电池领域取得重大突破，开发出新型粘弹性无机玻璃（VIGLAS）电解质。相关研究已发表于期刊《Nature Energy》。

　　固态电池通常被誉为下一代颠覆性电池技术，为传统液态锂离子电池相关的安全问题提供了一种有前途的解决方案，同时显著提高了能量密度。这项技术成就有可能彻底革新电动汽车、能源存储和移动设备等关键行业。

　　然而，固态电池的实际应用受到与界面稳定性和制造成本相关限制的阻碍。例如，有机聚合物固态电池在界面处表现出卓越的机械稳定性，但在化学稳定性方面却存在不足。这种限制限制了它们的能量密度，主要是由于与高压阴极的兼容性问题。

　　另一方面，商业上可行的无机硫化物固态电池虽然前景广阔，但其制造成本高的。此外，它们需要在极高的压力下运行，通常达到几十个大气压，这给商业化带来了重大挑战。因此，寻找一种能够有效解决这些问题的新型电解质材料对于追求先进的固态电池技术至关重要。

　　在新研究中，研究人员通过在其中引入氧原子，成功地在某些氯原子的位置将室温熔盐（即LiAlCl4和NaAlCl4）转化为称为LiAlCl2.5O0.75（LACO）和NaAlCl2.5O0.75（NACO）的粘弹性玻璃。

　　这种材料的独特之处在于其在室温下能够轻松弯曲和折叠，一改此前无机固体电解质无法表现出与有机电解质相关的机械灵活性的问题。这一发现为固态电解质开发的全新领域铺平了道路。

　　研究人员揭示了这些无机玻璃（即VIGLAS材料）的形成和离子传导机制。这些材料的玻璃化转变温度（Tg）低于室温，从而产生类似于环境条件下聚合物的粘弹性行为。这种低Tg可归因于平衡的氧氯比，其中氧桥在形成适当尺寸的Al-O-Al网络中发挥着至关重要的作用。这些网络反过来又限制了缩合过程中的原子重排。

　　此外，痕量的不配位LixAlCl3+x充当“增塑剂”，可降低Tg。在离子电导率方面，VIGLAS材料中的氧桥缩短了Li-Li对之间的距离，从而促进Li+离子跳跃。此外，VIGLAS电解质表现出与PEO聚合物电解质中观察到的类似的链段运动。这种运动促进了附近锂离子的集体迁移，从而增强了离子电导率。

　　重要的是，VIGLAS不仅表现出与有机聚合物相当的显著变形能力，而且继承了传统无机电解质的理想特性。这些特性包括高达4.3 V的高电压耐受性和超过1 mS/cm的高离子电导率。

　　这种固有的优势有效解决了固态电池正极界面机械和化学稳定性的挑战。因此，VIGLAS使无机全固态锂和钠电池能够在不需要外部压力（保持在 0.1 MPa）的情况下实现真正的环境温度运行。

　　目前，固态电池的商业化面临着制造成本高、生产工艺复杂的重大挑战。幸运的是，这项研究提出了一个理想的解决方案。首先，这种创新固态电解质材料的生产成本极低，主要是因为其核心成分是铝，而铝在地壳中含量丰富。

　　因此，LACO的材料成本仅为每公斤6.85美元，NACO的材料成本仅为每公斤1.95美元。成本占比分别为2%和0.6%，仅为当前主流Li6PS5Cl固态电解质的一小部分，而Li6PS5Cl的价格高达每公斤319美元。

　　另一个优点是这些VIGLAS具有较低的熔点（低于160℃），因此在合适的加热条件下能够像液体一样有效地渗透多孔电极。这种能力使得商用阴极负载量超过20 mg/cm2成为可能。

　　此外，这些材料表现出与有机聚合物类似的延展性，使得能够使用卷对卷工艺等技术制造大面积电解质膜。这些显著的特性使得这种新型固态电解质材料在材料和制造成本方面都具有很强的竞争力，使其成为应对全固态电池正极无压运行挑战的理想选择。