電動車最貴的部件變得越來越便宜。沒錯，就是電池。
中科大一項最新研究突破了固態電池的成本瓶頸。他們合成了一種新型固態電解質，成本降低 94%。高性能、可變形性好，還比一般的固態電解質耐濕。站在風口上的固態電池，正在加速落地。
中科大最新論文說了啥?
就在近期，中科大馬騁教授團隊在 nature communications 上發表了有關固態電池的最新研究成果。
這篇論文主要介紹了一種全新的氯化物固態電解質 —— 氯化鋯鋰。
氯化物固態電解質是后起之秀，當前占據主流地位的是聚合物、氧化物和硫化物固態電解質。盡管這種電解質同時具備了硫化物固態電解質的易變形性和高離子導電率，以及氧化物固態電解質對空氣的穩定性和高氧化點位。還是敵不過自身帶有的兩大 bug：一個是原材料價格昂貴。因為含有大量的 Y、Tb-Lu、Sc 和 In 等稀土元素，成本居高不下。
另一個是耐潮性差，即使在 1% 相對濕度的空氣中也會迅速發生反應。
那么最新合成的氯化鋯鋰具有什么優勢?1、耐濕性強，暴露在相對濕度為 5% 的大氣中，沒有發生吸濕或電導率下降的跡象;2、具有高電導率，在室溫下為 0.81mScm–1;3、與高電壓正極相容性強，在 200mA g–1 的大電流密度下循環 200 圈后容量仍高達 150mAh g–1，并且在整個長循環過程中幾乎沒有容量衰減。與主流的固態電解質相比，最重要的一點還是便宜。以現有的技術合成氯化物固態電解質，最低成本為 23.05 美元/㎡。馬騁教授的團隊在論文中強調，固態電池想要以價格取勝，固態電解質的成本就必須降至 10 美元/㎡以下。而氯化鋯鋰在 50μm(微米)的厚度下，原材料成本僅為 1.38 美元/㎡，成本優勢顯而易見。
全方位降維打擊的氯化鋯鋰并非完美，唯一的缺點就是對金屬鋰負極的穩定性較差。據公開資料顯示，固態電解質對負極材料的熱穩定性差，可能會在加熱升溫過程中發生不同程度的熱失控。兩者的界面接觸穩定性差，則可能引發較大的界面接觸電阻和電流分布不均勻，在重復充放電過程中降低電池性能。在接受中國科學報采訪時，馬騁教授的團隊表示正在努力克服這一缺陷。一旦這個問題得到解決，基于氯化鋯鋰研發高能量密度的軟包電池將唾手可得。
跨學科突破固態電解質
論文的第一作者王凱，以及論文的通訊作者馬騁教授，均來自中科大 M-Laboratory。M-Laboratory 成立于 2016 年，主要從事化學、物理和材料科學的跨學科研究。主攻的領域為 3 個，分別是全固態鋰電池、基于非鋰離子的新型電池，以及應用于電化學儲能研究的投射電鏡方法學。團隊的靈魂人物馬騁教授，現在是中科大材料科學與工程系的特任教授。
他本科就讀于清華，畢業后前往美國愛荷華州大學攻讀碩博學位。先后在愛荷華州立大學和所屬美國能源部的橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究。在美留學期間，馬騁教授的論文多次獲獎。2013 年，他成為了 Sigma Xi 的正式成員。這個非贏利性的美國科研榮譽學會，聚集了超過 10 萬名科學家和研究者。有 200 多名諾獎獲得者曾是 Sigama Xi 的成員，比如著名的“DNA 之父”詹姆斯?沃森。想要成為正式會員，不僅要在某個領域取得突出的研究成果，還得通過現有成員的票選。在馬騁教授已發表的論文中，被引用得最多的一半都與固態電池相關。“跨學科”成為了馬騁教授突破固態電解質研究的醒目標簽。2019 年，馬騁教授和清華大學的南策文院士團隊等人在頂級學術期刊《Matter》提出了原子級解決方案，能夠有效解決固態電池中電極材料和固態電解質接觸差的問題。
根據這一原理合成出的固態復合物電極呈現出優異的容量和倍率性能。馬騁教授認為，固態電池的電極和電解質接觸問題就像木桶的短板。學界已經研發出不少高性能的電極和固態電解質，但因為兩者間難以實現良好接觸，鋰離子的傳輸效率大受限制。去年，馬騁教授的團隊利用球差矯正透射電鏡觀測到了一種非周期性結構，發現了固態電解質在離子傳輸機理中存在的新問題。除了晶界、點缺陷外，這種特殊結構也成為了研究固態電解質繞不開的關隘。這項成果同樣發表在了 Nature 的子刊上。
為什么固態電解質如此受研究者們的關注?因為傳統的鋰離子電池由正負極材料、電解質、電解液和隔膜組成。全固態電池不靠電解液來傳輸離子，也沒有隔膜，只包含了上面四要素的前兩者。這意味著，突破全固態電池技術最大的難點，就在正負極材料和電解質上。
未來電池的風會往哪里吹?
除了固態電池，馬騁教授的團隊還在密切關注著非鋰離子電池。比如最近寧德時代在線上發布會中推出的鈉離子電池，也是他們的研究對象。
以及你可能沒怎么聽說過的氟離子電池。對于固態電池，他們認為在量產之前必須接受這兩個挑戰。其一，必須提高固態電解質的導電性，以便滿足快速充放電的條件。其二，要保證固態電解質和電極之間導電時的穩定性，即兩者的接觸問題。解決了這兩個問題，距離量產就只剩下降成本這一步之遙。
