Nuevo electrolito sólido para baterías que rompe los límites de coste-rendimiento
Con el fin de comercializar los productos de estado sólido industria de las pilas de litioLos electrolitos en estado sólido no sólo tienen que demostrar un rendimiento excelente, sino también una competitividad de costes lo suficientemente fuerte.
En este sentido, este artículo presentará un electrolito sólido que puede cumplir los requisitos anteriores al mismo tiempo, lo que desempeña un papel importante en la promoción de la comercialización de las baterías de estado totalmente sólido.
Índice
Características de los electrolitos sólidos actuales
Desde el punto de vista del rendimiento, en condiciones ideales, los sólidos electrolito de batería de iones de litio necesita tener ventajas en conductividad iónica, estabilidad a la oxidación, estabilidad a la reducción y estabilidad a la humedad al mismo tiempo. Los electrolitos sólidos inorgánicos descritos pueden dividirse en tres categorías: óxidos, sulfuros y haluros.
Como material quebradizo, los óxidos no pueden cumplir el requisito de deformabilidad. En cambio, tanto los sulfuros como los haluros son capaces de deformarse bajo presiones específicas y también es relativamente fácil conseguir una alta conductividad iónica. Sin embargo, el Li2S, la materia prima utilizada para sintetizar sulfuro, es bastante caro, alcanzando $654,18/kg.
Teniendo en cuenta que la proporción de masa de Li2S en la materia prima del electrolito sólido de sulfuro suele ser superior a 30%, el coste de la materia prima no será inferior a $196,25/kg. Los haluros sólo pueden alcanzar una conductividad iónica elevada (> 1 mS cm-1) utilizando tierras raras o cloruro a base de indio y otras materias primas caras para la síntesis, por lo que el coste de la materia prima también es bastante elevado, en la mayoría de los casos superior a $190/kg.
Por lo tanto, estos tres tipos de materiales no pueden cumplir los requisitos de conductividad iónica, deformabilidad y coste al mismo tiempo. La única excepción es el electrolito sólido de cloruro de litio y circonio del que informó el grupo de investigación del profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en 2021.
Al no contener elementos de tierras raras ni indio, el coste de la materia prima es inferior a $50/kg. Sin embargo, la conductividad iónica del material es baja, sólo unos 0,5 mS cm-1, lo que no puede cumplir los requisitos de eficiencia del transporte de iones.
En general, los electrolitos sólidos de óxido, sulfuro y haluro actuales no son capaces de satisfacer los requisitos de aplicación en conductividad iónica, deformabilidad y competitividad de costes al mismo tiempo.
Sin embargo, muchas de estas propiedades pueden compensarse de otras formas, por ejemplo, aunque la estabilidad de oxidación o reducción del electrolito sólido no sea buena, siempre que el material activo del electrodo se construya sobre el material de revestimiento adecuado, la batería podrá seguir teniendo un buen rendimiento.
Si se excluyen estas propiedades, el electrolito sólido sigue necesitando una buena conductividad iónica (superior a 1 mS cm-1 a temperatura ambiente) y deformabilidad (superior a 90% de densidad relativa a 250-350 MPa). Sin embargo, los electrolitos sólidos actuales no pueden ofrecer ambas ventajas de rendimiento y, al mismo tiempo, ser suficientemente competitivos en costes (por debajo de $50/kg).
Los nuevos electrolitos sólidos para pilas
El grupo de investigación del profesor Ma Cheng, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha diseñado un nuevo electrolito sólido de oxicloruro Li1.75ZrCl4.75O0.5, que puede cumplir los requisitos de batería de estado sólido en los tres aspectos anteriores.
La conductividad iónica a temperatura ambiente del Li1.75ZrCl4.75O0.5 alcanza los 2,42 mS cm-1, lo que satisface los requisitos de aplicación por encima de 1 mS cm-1, y no es inferior a la de los haluros basados en sulfuro y tierras raras/indium.
Además, el oxicloruro de litio y circonio también presenta una buena deformabilidad, y la densidad relativa tras el prensado en frío a 300 MPa alcanza los 94,2%, que supera la de electrolitos sólidos conocidos por su buena deformabilidad, como Li3InCl6 y Li10GeP2S12 (la densidad es inferior a 90% a la misma presión).
Debido a las características anteriores, la batería de estado totalmente sólido compuesta de Li1,75ZrCl4,75O0,5 muestra un rendimiento excelente. La batería de estado sólido basada en LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 monocristalino puede alcanzar una capacidad de descarga de 70,2 mAh g-1 tras 2082 ciclos con una densidad de corriente de 1000 mA g-1. Este rendimiento es similar al del electrolito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4, del que se ha informado recientemente en Nature Energy (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidad de descarga final de unos 70 mAh g-1).
Sin embargo, el coste del Li1,75ZrCl4,75O0,5 es muy inferior al del Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11,60/kg frente a $4418,10/kg, que es menos de 0,3% de este último) y muy por debajo del umbral de $50/kg mencionado anteriormente. Este material de electrolito sólido, muy competitivo en coste y rendimiento, allana el camino para la comercialización de baterías totalmente de estado sólido.
Proceso de investigación del nuevo electrolito sólido
En primer lugar, los investigadores intentaron sintetizar una serie de electrolitos sólidos Li2+xZrCl6-xOx mediante el método de molienda de bolas de alta energía. La fórmula química también puede expresarse como (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). La difracción de rayos X muestra que los componentes con x≤0,25 presentan una estructura P-3m1. Al seguir aumentando x, aparece en el material una fase con estructura C2/m que coexiste con la fase P-3m1.
Evolución de fase dependiente de la composición en Li2+xZrCl6-xOx
Cuando x≥1,0, el material presenta únicamente la fase C2/m. En la región de coexistencia de dos fases entre 0,25<x<1,0, la estructura cristalina del material es especialmente vulnerable a los daños causados por la molienda de bolas de alta energía, y la cristalinidad es inferior a 20%. Dado que los electrolitos sólidos de cloruro basados en Zr suelen depender de fases amorfas para el transporte eficiente de iones, esto podría significar que los materiales con coexistencia 0,25<x<1,0 de estas fases cristalinas dobles tienen una conductividad iónica más alta.
El ensayo de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) muestra que los componentes con coexistencia de doble fase cristalina presentan una conductividad iónica más elevada. De acuerdo con los resultados esperados, la conductividad iónica a temperatura ambiente de los componentes bifásicos con menor cristalinidad es generalmente superior a la de los componentes monofásicos.
En el punto de componente x=0,5 (fórmula química:Li2,5ZrCl5,5O0,5), la conductividad iónica a temperatura ambiente alcanza 1,17 mS cm-1, lo que no está mal incluso si se compara con los electrolitos sólidos de tierras raras o haluros basados en indio.
Comportamiento del transporte de iones Li2+xZrCl6-xOx
Aunque la conductividad iónica de los materiales mencionados ha superado 1 mS cm-1, aún puede mejorarse. Según la tendencia de la conductividad iónica con la composición, los investigadores descubrieron que cuando la composición de la región bifásica en el diagrama de fases está cerca de su límite de fase con la región monofásica, la conductividad iónica mejorará.
Para controlar con precisión la composición y acercarla al límite de fase, los investigadores introdujeron un tercer componente LiZrCl5 sobre la base del componente anterior Li2.5ZrCl5.5O0.5 (es decir, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) con la conductividad iónica más elevada.
Esto da lugar a una serie de componentes (75%-y)Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 o Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5. Según los resultados de difracción de rayos X, con el aumento de y, la intensidad del pico de difracción de la fase P-3m1 en Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） aumenta gradualmente, mientras que la de la fase C2/m disminuye gradualmente.
Cuando y=0,75, aunque la fase P-3m1 y la fase C2/m siguen coexistiendo, el pico característico de esta última se vuelve extremadamente débil, lo que indica que el componente está bastante cerca del límite de fase entre la región bifásica y la región monofásica en el diagrama de fases.
Como era de esperar, la conductividad iónica a temperatura ambiente del Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5 aumenta significativamente con el incremento de y (es decir, la composición continúa acercándose al límite de fase entre la región monofásica y la región bifásica en el diagrama de fases).
Para la región bifásica de composición y=0,75 (fórmula química: Li1,75ZrCl4,75O0,5), la conductividad iónica del material a 25°C alcanza 2,42 mS cm-1, superando a electrolitos sólidos como Li3InCl6 y Li2In1/3Sc1/3Cl4, que se basan en materias primas caras.
Estructuras y conductividades iónicas de Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5
Además de la conductividad iónica, la deformabilidad del Li1,75ZrCl4,75O0,5 también es bastante excelente. Esta propiedad puede evaluarse por la densidad relativa que el material puede alcanzar a determinadas presiones. Cuanto mejor sea la deformabilidad, mayor será la densidad relativa que puede alcanzar el material a una presión determinada.
Las pruebas experimentales muestran que la densidad relativa de electrolitos sólidos inorgánicos como Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 y Li2ZrCl6, conocidos por su buena deformabilidad, es inferior a 90% a 300 MPa. En cambio, Li1.75ZrCl4.75O0.5 tiene una densidad relativa de 94,2% a 300 MPa, por lo que su deformabilidad supera a la de todos los electrolitos sólidos mencionados anteriormente.
Compresibilidad de LZCO
La excelente conductividad iónica y la buena deformabilidad permiten que las baterías de estado sólido compuestas por electrolitos de estado sólido Li1.75ZrCl4.75O0.5 demuestren un excelente rendimiento.
Una batería de estado totalmente sólido que utiliza LiCoO2 (LCO) sin recubrimiento como electrodo positivo, aleación de Li-In como ánodo de batería de iones de litioLi1.75ZrCl4.75O0.5 como electrolito sólido, y Li6PS5Cl como capa tampón entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 y el electrodo negativo, la eficiencia coulombiana de primer ciclo de hasta 98,28% a 25 °C, 14 mA g-1. Es mejor que el mismo tipo de batería de estado sólido descrito en la bibliografía.
Además, tras 150 ciclos de la batería de estado sólido basada en LCO a una alta densidad de corriente de 25 °C y 700 mA g-1, la capacidad básicamente no se atenúa, y aún puede alcanzarse la capacidad de descarga de 102 mAh g-1. Una batería similar compuesta de Li2ZrCl6 tiene una capacidad de descarga similar (114 mAh g-1) después de 100 ciclos a una densidad de corriente de sólo 1/10 de los valores anteriores ( 70 mA g-1).
Rendimiento electroquímico de la célula Li-In,LPSCH-LZCO,LCO
Cuando se utiliza el cristal único LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） como el materiales catódicosSin embargo, la batería de estado sólido sigue mostrando un excelente rendimiento cíclico. La eficiencia coulombiana del primer ciclo de la batería a 25 °C y 20 mA g-1 es de 87,31%.
Incluso después de 2.082 ciclos a una densidad de corriente elevada de 1.000 mA g-1, la capacidad de descarga aún puede alcanzar los 70,2 mAh g-1. Recientemente se ha publicado en Nature Energy una batería de rendimiento similar (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidad de descarga final de unos 70 mAh g-1) con electrolito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4.
Sin embargo, como la síntesis de Li1,75ZrCl4,75O0,5 no requiere el uso de compuestos caros como el cloruro de tierras raras y el sulfuro de litio, su coste de materia prima es de sólo $11,60/kg, menos de 0,3% del coste de materia prima de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418,10/kg). También está muy por debajo del umbral de $50/kg mencionado anteriormente. Por lo tanto, el Li1.75ZrCl4.75O0.5 es muy competitivo tanto en coste como en rendimiento.
Rendimiento electroquímico de la célula Li-In,LPSCH-LZCO, scNMCSII
Resumen y perspectivas
El grupo de investigación del profesor Ma Cheng diseñó y sintetizó un nuevo tipo de electrolito sólido policristalino de cloruro de óxido Li1.75ZrCl4.75O0.5. En términos de rendimiento, el material tiene más conductividad iónica que Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 y otros electrolitos sólidos de alto rendimiento, y es mejor que los electrolitos sólidos fácilmente deformables como Li6PS5Cl y Li10GeP2S12.
La capacidad de descarga de una batería de estado sólido compuesta por este material tras 2082 ciclos a una alta densidad de corriente de 1000 mA g-1 se aproxima a la de una batería similar basada en Li2In1/3Sc1/3Cl4 tras 3000 ciclos a 540 mA g-1.
En cuanto al coste, como el Li1,75ZrCl4,75O0,5 puede sintetizarse a partir de compuestos baratos como LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, su coste como materia prima es de sólo $11,60/kg, que no sólo es inferior al de otros electrolitos sólidos con propiedades similares (en su mayoría en torno a $200/kg o más). También es inferior al umbral de $50/kg necesario para su comercialización.
Además, si se sintetiza a partir del más barato ZrOCl2-8H2O, LiCl y ZrCl4, el coste del Li1.75ZrCl4.75O0.5 puede reducirse aún más sobre la base de $11,60/kg. El descubrimiento del Li1,75ZrCl4,75O0,5 rompió el límite del "coste-rendimiento" que puede alcanzar el electrolito sólido. Este electrolito sólido de bajo coste y alto rendimiento dará un gran impulso a la comercialización de las baterías totalmente sólidas.
Nuevo electrolito sólido para baterías que rompe los límites de coste-rendimiento
Características de los electrolitos sólidos actuales
Desde el punto de vista del rendimiento, en condiciones ideales, los sólidos electrolito de batería de iones de litio necesita tener ventajas en conductividad iónica, estabilidad a la oxidación, estabilidad a la reducción y estabilidad a la humedad al mismo tiempo. Los electrolitos sólidos inorgánicos descritos pueden dividirse en tres categorías: óxidos, sulfuros y haluros.
Como material quebradizo, los óxidos no pueden cumplir el requisito de deformabilidad. En cambio, tanto los sulfuros como los haluros son capaces de deformarse bajo presiones específicas y también es relativamente fácil conseguir una alta conductividad iónica. Sin embargo, el Li2S, la materia prima utilizada para sintetizar sulfuro, es bastante caro, alcanzando $654,18/kg.
Teniendo en cuenta que la proporción de masa de Li2S en la materia prima del electrolito sólido de sulfuro suele ser superior a 30%, el coste de la materia prima no será inferior a $196,25/kg. Los haluros sólo pueden alcanzar una conductividad iónica elevada (> 1 mS cm-1) utilizando tierras raras o cloruro a base de indio y otras materias primas caras para la síntesis, por lo que el coste de la materia prima también es bastante elevado, en la mayoría de los casos superior a $190/kg.
Por lo tanto, estos tres tipos de materiales no pueden cumplir los requisitos de conductividad iónica, deformabilidad y coste al mismo tiempo. La única excepción es el electrolito sólido de cloruro de litio y circonio del que informó el grupo de investigación del profesor Ma Cheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en 2021.
Al no contener elementos de tierras raras ni indio, el coste de la materia prima es inferior a $50/kg. Sin embargo, la conductividad iónica del material es baja, sólo unos 0,5 mS cm-1, lo que no puede cumplir los requisitos de eficiencia del transporte de iones.
En general, los electrolitos sólidos de óxido, sulfuro y haluro actuales no son capaces de satisfacer los requisitos de aplicación en conductividad iónica, deformabilidad y competitividad de costes al mismo tiempo.
Sin embargo, muchas de estas propiedades pueden compensarse de otras formas, por ejemplo, aunque la estabilidad de oxidación o reducción del electrolito sólido no sea buena, siempre que el material activo del electrodo se construya sobre el material de revestimiento adecuado, la batería podrá seguir teniendo un buen rendimiento.
Si se excluyen estas propiedades, el electrolito sólido sigue necesitando una buena conductividad iónica (superior a 1 mS cm-1 a temperatura ambiente) y deformabilidad (superior a 90% de densidad relativa a 250-350 MPa). Sin embargo, los electrolitos sólidos actuales no pueden ofrecer ambas ventajas de rendimiento y, al mismo tiempo, ser suficientemente competitivos en costes (por debajo de $50/kg).
Los nuevos electrolitos sólidos para pilas
El grupo de investigación del profesor Ma Cheng, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha diseñado un nuevo electrolito sólido de oxicloruro Li1.75ZrCl4.75O0.5, que puede cumplir los requisitos de batería de estado sólido en los tres aspectos anteriores.
La conductividad iónica a temperatura ambiente del Li1.75ZrCl4.75O0.5 alcanza los 2,42 mS cm-1, lo que satisface los requisitos de aplicación por encima de 1 mS cm-1, y no es inferior a la de los haluros basados en sulfuro y tierras raras/indium.
Además, el oxicloruro de litio y circonio también presenta una buena deformabilidad, y la densidad relativa tras el prensado en frío a 300 MPa alcanza los 94,2%, que supera la de electrolitos sólidos conocidos por su buena deformabilidad, como Li3InCl6 y Li10GeP2S12 (la densidad es inferior a 90% a la misma presión).
Debido a las características anteriores, la batería de estado totalmente sólido compuesta de Li1,75ZrCl4,75O0,5 muestra un rendimiento excelente. La batería de estado sólido basada en LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 monocristalino puede alcanzar una capacidad de descarga de 70,2 mAh g-1 tras 2082 ciclos con una densidad de corriente de 1000 mA g-1. Este rendimiento es similar al del electrolito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4, del que se ha informado recientemente en Nature Energy (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidad de descarga final de unos 70 mAh g-1).
Sin embargo, el coste del Li1,75ZrCl4,75O0,5 es muy inferior al del Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11,60/kg frente a $4418,10/kg, que es menos de 0,3% de este último) y muy por debajo del umbral de $50/kg mencionado anteriormente. Este material de electrolito sólido, muy competitivo en coste y rendimiento, allana el camino para la comercialización de baterías totalmente de estado sólido.
Proceso de investigación del nuevo electrolito sólido
En primer lugar, los investigadores intentaron sintetizar una serie de electrolitos sólidos Li2+xZrCl6-xOx mediante el método de molienda de bolas de alta energía. La fórmula química también puede expresarse como (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). La difracción de rayos X muestra que los componentes con x≤0,25 presentan una estructura P-3m1. Al seguir aumentando x, aparece en el material una fase con estructura C2/m que coexiste con la fase P-3m1.
Cuando x≥1,0, el material presenta únicamente la fase C2/m. En la región de coexistencia de dos fases entre 0,25<x<1,0, la estructura cristalina del material es especialmente vulnerable a los daños causados por la molienda de bolas de alta energía, y la cristalinidad es inferior a 20%. Dado que los electrolitos sólidos de cloruro basados en Zr suelen depender de fases amorfas para el transporte eficiente de iones, esto podría significar que los materiales con coexistencia 0,25<x<1,0 de estas fases cristalinas dobles tienen una conductividad iónica más alta.
El ensayo de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) muestra que los componentes con coexistencia de doble fase cristalina presentan una conductividad iónica más elevada. De acuerdo con los resultados esperados, la conductividad iónica a temperatura ambiente de los componentes bifásicos con menor cristalinidad es generalmente superior a la de los componentes monofásicos.
En el punto de componente x=0,5 (fórmula química:Li2,5ZrCl5,5O0,5), la conductividad iónica a temperatura ambiente alcanza 1,17 mS cm-1, lo que no está mal incluso si se compara con los electrolitos sólidos de tierras raras o haluros basados en indio.
Aunque la conductividad iónica de los materiales mencionados ha superado 1 mS cm-1, aún puede mejorarse. Según la tendencia de la conductividad iónica con la composición, los investigadores descubrieron que cuando la composición de la región bifásica en el diagrama de fases está cerca de su límite de fase con la región monofásica, la conductividad iónica mejorará.
Para controlar con precisión la composición y acercarla al límite de fase, los investigadores introdujeron un tercer componente LiZrCl5 sobre la base del componente anterior Li2.5ZrCl5.5O0.5 (es decir, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) con la conductividad iónica más elevada.
Esto da lugar a una serie de componentes (75%-y)Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 o Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5. Según los resultados de difracción de rayos X, con el aumento de y, la intensidad del pico de difracción de la fase P-3m1 en Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） aumenta gradualmente, mientras que la de la fase C2/m disminuye gradualmente.
Cuando y=0,75, aunque la fase P-3m1 y la fase C2/m siguen coexistiendo, el pico característico de esta última se vuelve extremadamente débil, lo que indica que el componente está bastante cerca del límite de fase entre la región bifásica y la región monofásica en el diagrama de fases.
Como era de esperar, la conductividad iónica a temperatura ambiente del Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5 aumenta significativamente con el incremento de y (es decir, la composición continúa acercándose al límite de fase entre la región monofásica y la región bifásica en el diagrama de fases).
Para la región bifásica de composición y=0,75 (fórmula química: Li1,75ZrCl4,75O0,5), la conductividad iónica del material a 25°C alcanza 2,42 mS cm-1, superando a electrolitos sólidos como Li3InCl6 y Li2In1/3Sc1/3Cl4, que se basan en materias primas caras.
Además de la conductividad iónica, la deformabilidad del Li1,75ZrCl4,75O0,5 también es bastante excelente. Esta propiedad puede evaluarse por la densidad relativa que el material puede alcanzar a determinadas presiones. Cuanto mejor sea la deformabilidad, mayor será la densidad relativa que puede alcanzar el material a una presión determinada.
Las pruebas experimentales muestran que la densidad relativa de electrolitos sólidos inorgánicos como Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 y Li2ZrCl6, conocidos por su buena deformabilidad, es inferior a 90% a 300 MPa. En cambio, Li1.75ZrCl4.75O0.5 tiene una densidad relativa de 94,2% a 300 MPa, por lo que su deformabilidad supera a la de todos los electrolitos sólidos mencionados anteriormente.
La excelente conductividad iónica y la buena deformabilidad permiten que las baterías de estado sólido compuestas por electrolitos de estado sólido Li1.75ZrCl4.75O0.5 demuestren un excelente rendimiento.
Una batería de estado totalmente sólido que utiliza LiCoO2 (LCO) sin recubrimiento como electrodo positivo, aleación de Li-In como ánodo de batería de iones de litioLi1.75ZrCl4.75O0.5 como electrolito sólido, y Li6PS5Cl como capa tampón entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 y el electrodo negativo, la eficiencia coulombiana de primer ciclo de hasta 98,28% a 25 °C, 14 mA g-1. Es mejor que el mismo tipo de batería de estado sólido descrito en la bibliografía.
Además, tras 150 ciclos de la batería de estado sólido basada en LCO a una alta densidad de corriente de 25 °C y 700 mA g-1, la capacidad básicamente no se atenúa, y aún puede alcanzarse la capacidad de descarga de 102 mAh g-1. Una batería similar compuesta de Li2ZrCl6 tiene una capacidad de descarga similar (114 mAh g-1) después de 100 ciclos a una densidad de corriente de sólo 1/10 de los valores anteriores ( 70 mA g-1).
Cuando se utiliza el cristal único LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） como el materiales catódicosSin embargo, la batería de estado sólido sigue mostrando un excelente rendimiento cíclico. La eficiencia coulombiana del primer ciclo de la batería a 25 °C y 20 mA g-1 es de 87,31%.
Incluso después de 2.082 ciclos a una densidad de corriente elevada de 1.000 mA g-1, la capacidad de descarga aún puede alcanzar los 70,2 mAh g-1. Recientemente se ha publicado en Nature Energy una batería de rendimiento similar (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidad de descarga final de unos 70 mAh g-1) con electrolito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4.
Sin embargo, como la síntesis de Li1,75ZrCl4,75O0,5 no requiere el uso de compuestos caros como el cloruro de tierras raras y el sulfuro de litio, su coste de materia prima es de sólo $11,60/kg, menos de 0,3% del coste de materia prima de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418,10/kg). También está muy por debajo del umbral de $50/kg mencionado anteriormente. Por lo tanto, el Li1.75ZrCl4.75O0.5 es muy competitivo tanto en coste como en rendimiento.
Resumen y perspectivas
El grupo de investigación del profesor Ma Cheng diseñó y sintetizó un nuevo tipo de electrolito sólido policristalino de cloruro de óxido Li1.75ZrCl4.75O0.5. En términos de rendimiento, el material tiene más conductividad iónica que Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 y otros electrolitos sólidos de alto rendimiento, y es mejor que los electrolitos sólidos fácilmente deformables como Li6PS5Cl y Li10GeP2S12.
La capacidad de descarga de una batería de estado sólido compuesta por este material tras 2082 ciclos a una alta densidad de corriente de 1000 mA g-1 se aproxima a la de una batería similar basada en Li2In1/3Sc1/3Cl4 tras 3000 ciclos a 540 mA g-1.
En cuanto al coste, como el Li1,75ZrCl4,75O0,5 puede sintetizarse a partir de compuestos baratos como LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, su coste como materia prima es de sólo $11,60/kg, que no sólo es inferior al de otros electrolitos sólidos con propiedades similares (en su mayoría en torno a $200/kg o más). También es inferior al umbral de $50/kg necesario para su comercialización.
Además, si se sintetiza a partir del más barato ZrOCl2-8H2O, LiCl y ZrCl4, el coste del Li1.75ZrCl4.75O0.5 puede reducirse aún más sobre la base de $11,60/kg. El descubrimiento del Li1,75ZrCl4,75O0,5 rompió el límite del "coste-rendimiento" que puede alcanzar el electrolito sólido. Este electrolito sólido de bajo coste y alto rendimiento dará un gran impulso a la comercialización de las baterías totalmente sólidas.