赋能LLZO固态电解质，破解氧化物固态电池产业化密码

05-27 07:29

电子发烧友网综合报道。固态电池技术被认为是打破传统锂离子电池能量密度和安全性瓶颈的关键因素，在全球能源转型的浪潮中。氧化物固态电解质凭借其优异的耐化学性和宽温域适应性，逐渐成为与硫酸盐路线齐头并进的重要技术支撑。

近几年，科研人员在锂锆氧（LLZO）在系统中引入鲟（Ta）元素创新的尝试，不仅使锂离子电导率接近 10 通过优化合成工艺，使氧化物固态电池的大规模应用更加明显，在储能领域也发生了深刻的变化。

电池的电解质性能与电池的能量密度和循环寿命直接相关。传统 LLZO 虽然电解质很高 5V 电化学窗口，温度范围可以覆盖 -20 ℃至 200 但其锂离子电导率仅为℃， 10 ⁻⁴ S/cm，只有十分之一的硫酸盐电解质，这一缺陷严重限制了其广泛应用。

另外，晶界电阻过高，锻烧过程中锂元素挥发造成的结构缺陷，超过 1100 ℃的严格制备条件，促使 LLZO 长时间停留在实验室研究阶段，难以实现大规模的工业化生产。

通过深入研究，研究团队发现，元素的混合能有效控制。 LLZO 晶格结构。利用密度泛函理论（DFT）计算可以看出，φ原子 5d 轨道和锂离子 2s 轨道之间有很强的耦合作用， LLZO 在晶格中构建直径达 0.45nm 与原始结构相比，超离子传输通道扩大了 20%。

这类类似于纳米高速通道的设计，将锂离子转移能垒从 0.65eV 大幅降到 0.32eV，促进 LLZO 电导率突破至 10 ⁻ ³ S/cm，第一次达到与硫酸盐电解质相当的水平。更为重要的是，引入鲟元素显著改善了锻烧条件，将原本超过原来的 1100 ℃高温降到 900 ℃，同时缩短锻烧时间。 40%，有效地解决了锂挥发引起的成分误差问题，将材料密度提高到 96.8%。

特性的飞跃给固体电池带来了全新的价值。在混合物中 LLZO 结合锂金属负极，全固态电池的理论能量密度可以达到 500Wh/kg，与目前主流的三元电池相比， 67%。

实验室数据显示，配有该电解质的软包电池的实际能量密度已经达到 425Wh/kg，在 -20 在低温环境下，放电容量维持率高达 85%，60 在高温环境下循环 500 次容衰减仅为 12%。这就是说，电动汽车的续航里程将大大提高，一辆配备了 70kWh 电池型紧凑型汽车，电池寿命有望从 500 公里提升至 800 超过公里，并且可以实现 10 分钟补充 400 超快充模式，公里续航。

就安全性而言，φ夹杂 LLZO 同样表现出色。传统液体电池的电解液燃点低于 150 ℃，存在热失控的风险，而φ夹杂 LLZO 超过热分解温度 800 ℃，从源头上消除了这个隐患。在针刺检测中，含有该电解质的电池短路后，外部温度仅升至 85 ℃，无火爆现象；在挤压检测中，即使电池发生， 30% 变形仍然可以正常工作。

这一高安全性进而在储能电站、航天工程等对安全要求极高的领域具有很大的应用潜力， 100MWh 在等级储能项目中，采用这种电解质可以降低。 40% 消防系统的成本，节省了复杂的热管理功能。

在生产成本方面，φ夹杂 LLZO 它还表现出明显的优势。与硫酸盐电解质不同，它需要高纯氩气保护、纳米原料分散等严格的工作条件， LLZO 只需要一般的箱式炉和行星球磨机，降低原材料成本。 60%。

以年产 10 万吨电解质计算，新的工艺路线可以节省设备成本 3.2 能源消耗减少1亿元 55%。预计到 2028 2008年，选择该电解质的固体电池生产成本有望降低。 120 美金 /Wh，低于同期硫酸盐电池 30%，接近当前液体电池的成本范围。

尽管取得了很大的进步，但它夹杂着 LLZO 在工业化过程中，技术仍然面临许多挑战。目前，电解质和正极材料之间的页面阻抗仍然高达 150 Ω・cm ²，这主要是由于高镍正极在循环过程中产生微裂纹和元素扩散所致。

研究人员正在有效地开发石墨烯氧化物包覆层和锂邈合金过渡层，目的是将界面阻抗降低到一定程度 30 Ω・cm ² 下面。同时，针对固体电解质与硅基负极兼容的问题，通过纳米晶结构设计，保持硅基负极膨胀率。 120% 在此之内，循环寿命提高到 800 次。

此外，目前固态电池领域缺乏统一的检测标准，很难横向比较不同企业的性能数据，阻碍了行业的发展。建立电导率、界面阻抗、热稳定性等。 12 该项目的核心指标《氧化物固态电解质技术规范》刻不容缓，同时需要尽快完善安全认证体系，为行业准入提供可靠依据。

随着全球固态电池生产能力规划的快速增长，促进了鲟元素供需平衡面临挑战。2024 全球每年大约产量的钒矿 1.5 万吨，如果全部用于 LLZO 生产，只能满足 50GWh 产能需求。为了应对这一问题，业界一方面开发了回收利用技术，回收利用率已经达到 92%；另一方面，探索一些替代方案，在保证电导率的前提下，减少消耗量。 30%。

总结

钽夹杂 LLZO 从材料设计到工业生态，技术突破不仅是材料科学领域的重要成果，也是一场系统的变革。它证明了氧化物固体电池路线的可行性，开辟了一条新的储能技术路线，成功绕过了硫酸盐页面的难题，打破了传统 LLZO 性能瓶颈。随着相关技术的日益完善和应用，氧化物固态电池将逐步实现大规模应用，推动能源储存从可用性向易用性转变，重塑万亿储能市场格局，帮助人类走向高效、安全、可持续的能源新时期。

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