青岛能源所硫化物电解质研究取得新进展

青岛能源所硫化物电解质研究取得新进展近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所武建飞研究员带领先进储能材料与技术研究组解决了硫化物全固态电池叠层工艺的行业痛点及瓶颈问题，打通了硫化物全固态电池的大型车载电池制作工艺的最后一道难关，在硫化物软包电池叠片技术上取得关键性突破。制备的多层叠片软包电池循环300次容量几乎不衰减，性能还在继续测试中。目前，研究团队正在进行20Ah硫化物全固态电池成型生产线落地筹备工作，并与上下游产业方合作，加速技术的研发和验证过程。力争2026年率先实现硫化物全固态电池批量化生产。与此同时，先进储能材料与技术研究组在硫化物电解质设计及与锂负极界面稳定性方面取得关键性进展，相关研究成果近日发表于国际知名期刊《ACSAppliedMaterials&Interfaces》。

新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革

新型锂金属氯化物固态电解质设计可为电池行业带来变革固态电解质的必要性目前的商用电池亟需解决的一个问题是对液态电解质的依赖，而液态电解质存在易燃和爆炸的风险。因此，开发不可燃的固体电解质对于推动固态电池技术的发展至关重要。在全球向可持续交通转变的过程中，全世界都在加紧管制内燃机汽车并扩大电动汽车的使用，因此，对二次电池核心部件，尤其是固态电池的研究取得了显著的进展。金属离子（本例中为钇）在各层中的排列会影响离子导电性。为确保锂离子畅通无阻地移动，每层中占据可用位置的金属离子数量应少于0.444。此外，要在每一层中为锂离子创造足够宽的通道，金属离子的占有率应大于0.167。因此，每层内金属离子的占有率应介于0.167和0.444之间，这样才能形成具有高离子电导率的导电层。资料来源：基础科学研究所要使固态电池在日常使用中切实可行，关键是要开发出具有高离子导电性、强大的化学和电化学稳定性以及机械灵活性的材料。虽然之前的研究成功地开发出了具有高离子电导率的硫化物和氧化物基固体电解质，但这些材料都不能完全满足所有这些基本要求。氯化物基固体电解质的研究进展过去，科学家们也曾对氯化物基固体电解质进行过探索。氯化物基固体电解质以其卓越的离子导电性、机械柔韧性和高电压稳定性而著称。这些特性使一些人推测氯化物电池最有可能成为固态电池。然而，这些希望很快就破灭了，因为氯化物电池严重依赖昂贵的稀土金属（包括钇、钪和镧系元素）作为辅助成分，因此被认为是不切实际的。为了解决这些问题，IBS研究小组研究了金属离子在氯化物电解质中的分布。他们认为，三元氯化物电解质之所以能达到较低的离子电导率，是基于结构中金属离子排列的变化。他们首先在氯化锂钇（一种常见的氯化锂金属化合物）上测试了这一理论。当金属离子位于锂离子通路附近时，静电力会阻碍锂离子的移动。相反，如果金属离子的占有率过低，锂离子的移动路径就会变得过于狭窄，从而阻碍锂离子的移动。基于这些见解，研究小组引入了设计电解质的策略，以缓解这些相互冲突的因素，最终成功开发出一种具有高离子电导率的固体电解质。研究小组还进一步成功地展示了这一策略，创造出一种基于锆的锂金属氯化物固态电池，其成本远远低于采用稀土金属的变体。这是首次证明金属离子排列对材料离子导电性的重要影响。金属离子分布的影响这项研究揭示了金属离子分布在氯基固体电解质离子电导率中经常被忽视的作用。预计IBS中心的研究将为各种氯基固体电解质的开发铺平道路，并进一步推动固态电池的商业化，有望提高能源存储的经济性和安全性。通讯作者KangKisuk说："这种新发现的氯化物基固体电解质有望突破传统硫化物和氧化物基固体电解质的限制，使我们离固态电池的广泛应用更近了一步。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394587.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394587.htm

中国科大开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族

中国科大开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族得益于镧系金属元素的低电负性，以及金属氯化物良好的耐氧化性和可变形性，镧系金属卤化物基固态电解质可直接与锂金属负极和三元正极匹配，实现无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂金属电池。相关研究成果以《ALaCl3-basedlithiumsuperionicconductorcompatiblewithLimetal》为题，于4月5日发表在Nature杂志上。金属卤化物固态电解质（LixMCl6,M为金属元素）因其宽电化学窗口、良好的室温电导率和不错的可变形性，展现出比氧化物/硫化物固态电解质更好的高电压氧化物正极适配性。2018年以来，基于Li3YCl6、Li3InCl6和Li3ScCl6等金属卤化物固态电解质的全固态锂电池实现了搭载钴酸锂、镍钴锰等4V级正极的长循环，引起了广泛关注。然而，目前报道的大多数LixMCl6金属卤化物固态电解质采用易被还原的金属元素构建传导框架，导致对锂金属不稳定，只能采用高电位的锂铟合金，限制了高能量密度全固态锂金属电池的开发。同时，传统的LixMCl6晶格中氯离子是六方或立方紧密堆积，其空间体积较小，对锂离子的传导有一定限制，使其电导率大多在1mS/cm。因此，开发对锂金属负极稳定的新型快离子导体框架结构是发展高比能全固态锂金属电池面临的关键挑战。针对以上问题，团队成员发现，以LaCl3为代表的镧系金属卤化物LnCl3（Ln=La,Ce,Pr,Nd,Sm等）晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。分子动力学的模拟预测表明，具有独特非密堆积氯离子排列方式的LaCl3框架可实现13.8mScm-1的室温离子电导率（图1）。团队成员选择高价离子掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的Li0.388Ta0.438La0.475Cl3表现出3.02mScm-1的高室温离子电导率和0.197eV的低活化能，优于传统氧化物和最近报道的卤化物固态电解质，可与部分硫化物电解质相媲美（图2）。镧的低电负性和梯度界面层的形成赋予了LaCl3基电解质对锂金属良好的稳定性，组装的锂金属对称电池以0.2mAcm-2的电流密度和1mAhcm-2的面容量可稳定循环5000小时以上（图3）。基于此，组装的全固态锂金属原型电池无需负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温下百圈以上的循环（图4）。此外，团队成员还发现，镧系金属卤化物可容纳大量异种非镧系金属元素，且在此状态下仍能保持快离子传输的UCl3晶型结构特征。这个性质赋予了镧系金属卤化物框架极强的可拓展性，使镧系金属卤化物固态电解质LixMyLnzCl3在未来通过合理的元素设计，具备实现更高界面稳定性、更快离子传导和更廉价原料成本的巨大潜力。具备UCl3晶型特征结构的镧系金属卤化物固态电解质LixMyLnzCl3将成为如硫化物中LGPS结构、氧化物中LLZO结构的一个全新的电解质家族。中国科学技术大学殷逸臣（博士后）、杨竞天（硕士生）、罗锦达（硕士生）和浙江工业大学卢功勋（博士）为本文的共同第一作者；中国科学技术大学姚宏斌教授、李震宇教授与浙江工业大学陶新永教授为本文的共同通讯作者。本工作得到中科院先导计划、国家自然科学基金委、稀土资源利用国家重点实验室开放基金、中国科学技术大学原创探索项目、中国科学技术大学“双一流”专项基金的资助。本工作特别致谢北京大学深圳研究院肖荫果研究员、黄中垣博士，合肥微尺度物质科学国家研究中心的龚科老师、汪琳俊老师，高德英特(北京)科技有限公司应用科学家鞠焕新博士和上海同步辐射光源的文闻研究员在表征和分析方面的大力帮助与支持。合肥国轩高科动力能源有限公司的吴叶超、中国科学技术大学本科生王建平参与完成了本工作。图1.LaCl3基固态电解质的设计理念图2.LaCl3基固态电解质的离子传输性能和机制图3.LaCl3基固态电解质的锂金属界面稳定性图4.LaCl3基固态电解质的全固态锂金属电池论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05899-8...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354103.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354103.htm