中國粉體網訊 中國科學技術大學馬騁教授開發了一種新型硫化物固態電解質。這種固態電解質在展示硫化物固態電解質固有優勢的同時，實現了其它硫化物固態電解質所無法達到的極其低廉、適合商業化的成本。該成果以“A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility”為題發表在國際學術期刊Angewandte Chemie International Edition上。
硫化物固態電解質成本居高不下的根源，在于它們的合成需要使用大量昂貴的硫化鋰（不低于650美元每公斤）。在多年的探索中，研究者曾嘗試了各種降低硫化鋰成本的方法，但發現實現這一目標極為困難。而在此次的研究中，馬騁教授采取了完全不同的策略：他不再致力于降低硫化鋰的成本，而是開發了一種不以硫化鋰作為原料的硫化物固態電解質——氧硫化磷鋰。這種固態電解質可以水合氫氧化鋰和硫化磷作為原材料合成。由于這兩種物質均成本低廉，氧硫化磷鋰的原材料成本僅14.42美元每公斤，不到其它硫化物固態電解質的8%，也遠低于50美元每公斤這一商業化的要求，具有很強的成本競爭力。
馬騁教授表示：“我們的工作表明硫化物固態電解質的成本問題并非無解。氧硫化磷鋰作為一種新材料，在性能上仍有望實現進一步提升，我們也在為此繼續努力。”
氧硫化磷鋰固態電解質的特點
1.低成本
氧硫化磷鋰和其它硫化物固態電解質的原材料成本比較
馬騁教授采用了成本低廉的水合氫氧化鋰和硫化磷作為原材料合成氧硫化磷鋰，原材料成本僅為14.42美元每公斤，不到其他硫化物固態電解質原材料成本的8%。
2.性能優勢
氧硫化磷鋰固態電解質保留了硫化物固態電解質的獨特優勢，它同時具備極低的密度和良好的負極相容性。
氧硫化磷鋰的密度僅1.7克每立方厘米，和其它硫化物固態電解質相近，并且低于鹵化物（約2.5克每立方厘米）和氧化物固態電解質（大都高于5克每立方厘米）。
氧硫化磷鋰和鋰金屬、硅這兩種高能量密度負極都展示了良好的相容性。它和鋰金屬組成的對稱電池能實現4200小時以上的室溫穩定循環，而它和硅負極、高鎳三元正極組成的全固態軟包電池，在60攝氏度下循環200次后，仍具有89.29%的容量保持率。
去除材料成本問題硫化物固態電解質仍需解決的問題主要有哪些？
1.空氣穩定性
硫化物電解質在空氣中具有不穩定性。由于硫化物遇空氣會迅速水解生成毒性氣體，因此電解質合成需要在充滿惰性氣體（如：氬氣）的無水無氧環境中生產，但對于現有生產設備來說，一般不可能考慮無水無氧的惰性氣體環境，所以造成研發、制造、運輸及儲存成本高昂。
并且，如果生產過程中遇到設備破損問題，將會產生硫化氫等有毒氣體，所以一些回收和處理措施需要提前準備，不能造成風險問題。
2.電化學窗口較窄
硫化物電解質的電化學窗口較窄，與正負極的界面穩定性較差，與業內對固態電池打破液態電池能量密度天花板的期待有所背離。而此次馬騁教授研發的氧硫化磷鋰固態電解質表現出了良好的負極相容性，這為解決硫化物固態電解質電化學窗口較窄的問題提供了一種解題思路。
國內主要硫化物固態電解質企業
1.中科固能
項目簽約：中科固能在溧陽簽約了硫化物全固態電解質生產基地項目，投資總額60億元。其中，一期總投資10億元，進行全固態硫化物電解質材料大批量生產，預計2025-2026年具備滿產能力。
背景實力：中科固能由中科院物理所聯合溧陽市政府于2022年創辦，是中科院物理所硫系全固態電池技術產業化的唯一平臺。
2.寧德時代
研發進展：寧德時代作為鋰電池龍頭企業，已選擇硫化物路線作為全固態電池的研發方向，并成功構建起10Ah級全固態電池驗證平臺。關于固態電池的研發，寧德時代主要是從硫化物固態電解質的空氣穩定性問題入手。據寧德時代首席科學家吳凱介紹，針對硫化物空氣穩定性低的問題，寧德時代采取的策略是對電解質進行疏水層包覆設計，包覆后電解質可在-40℃露點環境保持穩定。
目標規劃：公司目標是在2027年實現全固態電池的小批量生產。
3.國軒高科
技術路線：國軒高科在固態電池的開發中也采用了硫化物技術路線，并表示將“以硫化物全固態電池的開發為主，同時也布局鹵化物全固態電池的研究”。
研發成果：目前硫化物全固態電池已實現車規級電芯的制備，鹵化物方面也已實現樣品電池的制備。
4.恩捷股份
研發工作：恩捷股份主要從事硫化物固態電解質等相關材料的研發工作，并于2023年實現了技術和量產上的突破。
產能建設：公司固態用高純硫化鋰產品已完成小試噸級年產能建設和運行，目前已處于送樣階段，正積極推進產能建設。
5.屹鋰科技
技術來源：屹鋰科技的核心技術來源于上海交通大學，由智能汽車所所長張希教授領銜的研發團隊融合多學科力量，匯聚了材料、電化學、電氣與機械等學科的人才。
技術突破：公司針對現有鋰電池的痛點問題，致力于高能電池關鍵材料的開發應用，面向長續航、高安全需求，在全固態鋰電池材料和制備技術上取得突破。選取全新的硫化物作為電解質，通過負極金屬鋰的改性工程，提高負極穩定性及其與電解質親和性，并通過界面工程，提高了電解質與正負極的兼容性，解決了傳統鋰電池的安全問題。
研發成果：公司已成功研發并制備出2Ah及5Ah的全固態電池軟包電芯，實現能量密度達到410Wh/kg，充放電循環壽命達到2000次以上，固態電池核心材料硫化物電解質離子電導率達到17ms/cm。
6.瑞逍科技及其控股企業瑞固新材
項目情況：瑞逍科技宣布其旗下全固態電解質一期量產項目開工，這是國內首個量產固態電解質的企業。該項目由瑞固新材總投資13億元，分兩期進行建設，一期項目預計明年二季度投產，產值2億元。
技術路線：專注于硫化物系固體電解質的研發與生產，與國內外多家下游企業開展動力及儲能電池的研發定制業務。
7.馬車動力
技術路線：馬車動力是一家專注硫化物全固態電池及其核心材料研發與制造的公司，以高安全、高能量密度固態電池為突破口，攜手產業鏈上下游合作伙伴，推動固態電池產業化加速落地。
產線建設：馬車動力于2023年底啟動了硫化物固態電解質中試線建設，并預計在2024年初正式投入使用，實現超10噸級年生產能力，標志著馬車動力在全國范圍內率先開啟全固態電池硫化物電解質材料的規模化生產。并且，馬車動力已形成一套低成本高效率的標準生產工藝流程，并開發出了多種規格產品，具備低成本、高性能、一致性高等優勢。
參考來源：
中國科大成功開發低成本硫化物固態電解質.中國科技大學
固體硫化物電解質：全固態鋰電池核心材料的研究進展與未來展望.wade筆耕
各企業官網、官微等
（中國粉體網編輯整理/蘇簡）
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