全固態鋰電池商業化進程加速：低成本高性能的電解質材料誕生

當前的主流固態電解質材料包括聚合物、氧化物和硫化物。氯化物固態電解質因為兼具硫化物的易變形性和高離子導電率，以及氧化物的高氧化電位的優勢，成為固態電解質中的后起之秀。

但是，與硫化物固態電解質類似，氯化物固態電解質的生產和儲存對環境有著嚴苛的要求，因為該材料耐潮性差，且因包含大量 Y、Tb-Lu、Sc 和 In 等稀土元素，制備成本居高不下。

近期，中國科學技術大學馬騁教授課題組在 Nature Communications 上發表了有關固態電解質的最新研究成果，他們設計并合成了一種全新的氯化物固態電解質——氯化鋯鋰（Li2ZrCl6），該材料不但完美繼承了氯化物固態電解質獨特的優勢，還成功突破了固態電解質成本高昂以及濕度耐受性差兩大瓶頸，為全固態電池的商業化進程掃除障礙。

在原材料成本方面，目前最廉價的鹵化物固態電解質 Li3YCl6 在厚度低至 50 微米（該厚度對現有工藝水平已是相當大的挑戰）時，原材料成本仍高達 23.05 美元/平方米。此前有研究者表示，為確保全固態電池的市場競爭力，固態電解質材料的成本不可高于 10 美元/平方米。而此次，馬騁教授團隊成功降低了固態電解質材料的成本，其研制的氯化鋯鋰材料在50微米厚度時，原材料價格僅為 1.38 美元/平方米。

在對濕度的耐受性方面，Li3InCl6 作為此前對濕度耐受性最強的氯化物固態電解質，也無法在濕度低至 1% 的環境中保持性能穩定。

而馬騁教授團隊的氯化鋯鋰材料在這方面有了較大的突破，測試過程中，研究人員將合成的氯化鋯鋰暴露在相對濕度為 5% 的大氣中，發現其性能依舊保持穩定，并沒有出現吸濕或電導率下降等現象。

因而該材料可在一般的干燥間合成和儲存，同時從另一方面降低了制備和存儲成本。

在具備以上優勢的同時，氯化鋯鋰（Li2ZrCl6）在其他方面也絲毫不遜于已報道的氯化物固態電解質：它的離子電導率在室溫下可達 0.81 mS cm-1，并且具有良好的可變形性以及和高電壓正極的強相容性。

使用該材料和單晶高鎳三元正極 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（即 NMC811）組成的全固態電池，在 200mA g–1 的大電流密度下循環 200 圈后，容量仍能高達 150mAh g–1 ，并且在整個長循環過程中幾乎沒有衰減。

和其他固態電解質相比，馬騁教授團隊此次推出的氯化鋯鋰材料，罕見地在規模化制備成本以及綜合電化學性能這兩方面，同時具有顯著優勢，這將對全固態電池的商業化產生重要的推動作用。

此次論文的第一作者是來自中國科學技術大學 M-Laboratory 的王凱，中科大材料科學與工程系教授馬騁擔任論文通訊作者。

現為中科大材料科學與工程系教授的馬騁本科就讀于清華大學，在美國愛荷華州大學獲得博士學位后，他先后在愛荷華州立大學和美國能源部的橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究。

2013 年，馬騁教授成為非贏利性的美國科研榮譽學會 Sigma Xi 的正式成員，該學會聚集了來自世界各地超過 10 萬名研究學者，上百名諾貝爾獲得者都曾是該學會成員。

2016 年，他入職中國科學技術大學，任教授、博導，并成立了 M-Laboratory，從事化學、物理和材料科學的跨學科研究。實驗室目前的研究方向包括：全固態鋰電池固體電解質及界面的研究，優化，和設計、新型非鋰離子電池（鈉離子電池、氟離子電池和鎂離子電池等）電極材料的研究，以及應用于電化學儲能研究的透射電鏡方法學。