Un nouvel électrolyte solide pour batteries qui repousse les limites du coût et de la performance
Afin d'assurer la commercialisation des produits à semi-conducteurs, il est nécessaire de mettre en place un système de gestion de l'énergie et de l'environnement. l'industrie des piles au lithiumLes électrolytes à l'état solide doivent non seulement présenter d'excellentes performances, mais aussi être suffisamment compétitifs en termes de coûts.
À cet égard, cet article présente un électrolyte solide capable de répondre simultanément aux exigences susmentionnées, ce qui joue un rôle important dans la promotion de la commercialisation des batteries à l'état solide.
Table des matières
Caractéristiques des électrolytes solides actuels
Du point de vue de la performance, dans des conditions idéales, le solide électrolyte pour batterie lithium-ion doit présenter des avantages en termes de conductivité ionique, de stabilité à l'oxydation, de stabilité à la réduction et de stabilité à l'humidité. Les électrolytes solides inorganiques rapportés peuvent être grossièrement divisés en trois catégories : les oxydes, les sulfures et les halogénures.
En tant que matériau fragile, les oxydes ne peuvent pas répondre à l'exigence de déformabilité. En revanche, les sulfures et les halogénures sont tous deux capables de se déformer sous des pressions spécifiques et il est relativement facile d'obtenir une conductivité ionique élevée. Cependant, Li2S, la matière première utilisée pour synthétiser le sulfure, est assez chère, atteignant $654,18/kg.
Étant donné que le rapport de masse de Li2S dans la matière première de l'électrolyte solide de sulfure est généralement supérieur à 30%, le coût de la matière première ne sera pas inférieur à $196,25/kg. Les halogénures ne peuvent atteindre une conductivité ionique élevée (> 1 mS cm-1) qu'en utilisant des terres rares ou des chlorures à base d'indium et d'autres matières premières coûteuses pour la synthèse, de sorte que le coût des matières premières est également assez élevé, généralement supérieur à $190/kg.
Par conséquent, ces trois types de matériaux ne peuvent pas répondre simultanément aux exigences de conductivité ionique, de déformabilité et de coût. La seule exception est le chlorure de lithium et de zirconium à électrolyte solide présenté par le groupe de recherche du professeur Ma Cheng à l'université des sciences et technologies de Chine en 2021.
Comme il ne contient pas de terres rares ni d'indium, le coût des matières premières est inférieur à $50/kg. Toutefois, la conductivité ionique du matériau est faible, environ 0,5 mS cm-1 seulement, ce qui ne permet pas de répondre aux exigences en matière d'efficacité du transport des ions.
En général, les électrolytes solides actuels à base d'oxyde, de sulfure et d'halogénure ne sont pas en mesure de répondre simultanément aux exigences des applications en matière de conductivité ionique, de déformabilité et de compétitivité des coûts.
Par exemple, même si la stabilité à l'oxydation ou à la réduction de l'électrolyte solide n'est pas bonne, tant que le matériau actif de l'électrode est construit sur le matériau d'enrobage approprié, la batterie peut encore avoir de bonnes performances.
Si ces propriétés sont exclues, l'électrolyte solide doit encore présenter une bonne conductivité ionique (supérieure à 1 mS cm-1 à température ambiante) et une bonne déformabilité (densité relative supérieure à 90% à 250-350 MPa). Cependant, les électrolytes solides actuels ne peuvent pas offrir ces deux avantages tout en étant suffisamment compétitifs en termes de coûts (moins de $50/kg).
Les nouveaux électrolytes solides pour batteries
Le groupe de recherche du professeur Ma Cheng de l'Université des sciences et technologies de Chine a conçu un nouvel électrolyte solide oxychlorure Li1.75ZrCl4.75O0.5, qui peut répondre aux exigences de l'industrie de l'électricité. batterie à l'état solide dans les trois aspects susmentionnés.
La conductivité ionique à température ambiante de Li1.75ZrCl4.75O0.5 atteint 2,42 mS cm-1, ce qui répond aux exigences d'application supérieures à 1 mS cm-1, et n'est pas inférieure aux halogénures à base de sulfure et de terres rares/indium.
En outre, l'oxychlorure de lithium et de zirconium présente également une bonne déformabilité, et la densité relative après pressage à froid à 300 MPa atteint 94,2%, ce qui dépasse celle des électrolytes solides connus pour leur bonne déformabilité, tels que Li3InCl6 et Li10GeP2S12 (la densité est inférieure à 90% sous la même pression).
En raison des caractéristiques susmentionnées, la batterie tout solide composée de Li1.75ZrCl4.75O0.5 présente d'excellentes performances. La batterie tout solide basée sur le LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 monocristallin peut encore atteindre une capacité de décharge de 70,2mAh g-1 après 2082 cycles sous une densité de courant élevée de 1000 mA g-1. Cette performance est proche de celle de l'électrolyte solide Li2In1/3Sc1/3Cl4, récemment publiée dans Nature Energy (540 mA g-1, 3000 cycles, environ 70 mAh g-1 de capacité de décharge finale).
Toutefois, le coût de Li1.75ZrCl4.75O0.5 est bien inférieur à celui de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11.60/kg contre $4418.10/kg, soit moins de 0,3% de ce dernier) et bien en dessous du seuil de $50/kg mentionné ci-dessus. Ce matériau à électrolyte solide, très compétitif en termes de coût et de performance, ouvre la voie à la commercialisation de batteries à l'état solide.
Processus de recherche du nouvel électrolyte solide
Les chercheurs ont d'abord essayé de synthétiser une série d'électrolytes solides Li2+xZrCl6-xOx par une méthode de broyage à billes à haute énergie. La formule chimique peut également être exprimée comme (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). La diffraction des rayons X montre que les composants avec x≤0,25 présentent une structure P-3m1. Avec l'augmentation de x, une phase avec la structure de C2/m apparaît dans le matériau et coexiste avec la phase P-3m1.
Evolution de la phase en fonction de la composition dans Li2+xZrCl6-xOx
Lorsque x≥1,0, le matériau ne présente que la phase C2/m. Dans la région de coexistence de deux phases entre 0,25<x<1,0, la structure cristalline du matériau est particulièrement vulnérable aux dommages causés par le broyage à billes à haute énergie, et la cristallinité est inférieure à 20%. Étant donné que les électrolytes solides à base de chlorure de Zr reposent généralement sur des phases amorphes pour un transport efficace des ions, cela pourrait signifier que les matériaux présentant une coexistence de 0,25<x<1,0 de ces phases cristallines doubles ont une conductivité ionique plus élevée.
Le test de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) montre que les composants à double coexistence de phases cristallines ont une conductivité ionique plus élevée. Conformément aux résultats attendus, la conductivité ionique à température ambiante des composants biphasés à faible cristallinité est généralement plus élevée que celle des composants monophasés.
Au point de composant x=0,5 (formule chimique : Li2.5ZrCl5.5O0.5), la conductivité ionique à température ambiante atteint 1,17 mS cm-1, ce qui n'est pas mauvais, même en comparaison avec les électrolytes solides d'halogénures à base de terres rares ou d'indium.
Comportement de transport de l'ion lithium de Li2+xZrCl6-xOx
Bien que la conductivité ionique des matériaux susmentionnés ait dépassé 1 mS cm-1, elle peut encore être améliorée. D'après la tendance de la conductivité ionique en fonction de la composition, les chercheurs ont constaté que lorsque la composition de la région biphasée du diagramme de phase est proche de sa limite de phase avec la région monophasée, la conductivité ionique est améliorée.
Afin de contrôler précisément la composition et de la rendre proche de la limite de phase, les chercheurs ont introduit un troisième composant LiZrCl5 sur la base du composant Li2.5ZrCl5.5O0.5 ci-dessus (c'est-à-dire 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) qui présente la conductivité ionique la plus élevée.
Il en résulte une série de composants (75%-y)Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 ou Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5. Selon les résultats de la diffraction des rayons X, avec l'augmentation de y, l'intensité du pic de diffraction de la phase P-3m1 dans Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） augmente progressivement, tandis que celle de la phase C2/m diminue progressivement.
Lorsque y=0,75, bien que la phase P-3m1 et la phase C2/m coexistent toujours, le pic caractéristique de cette dernière devient extrêmement faible, ce qui indique que le composant est assez proche de la limite de phase entre la région biphasée et la région monophasée dans le diagramme de phase.
Comme prévu, la conductivité ionique à température ambiante de Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5 augmente de manière significative avec l'augmentation de y (c'est-à-dire que la composition continue à s'approcher de la limite de phase entre la région monophasée et la région biphasée dans le diagramme de phase).
Pour la composition de la région biphasée y=0,75 (formule chimique : Li1.75ZrCl4.75O0.5), la conductivité ionique du matériau à 25°C atteint 2,42 mS cm-1, surpassant les électrolytes solides tels que Li3InCl6 et Li2In1/3Sc1/3Cl4, qui sont basés sur des matières premières coûteuses.
Structures et conductivités ioniques de Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5
Outre la conductivité ionique, la déformabilité de Li1.75ZrCl4.75O0.5 est également excellente. Cette propriété peut être évaluée par la densité relative que le matériau peut atteindre sous certaines pressions. Plus la déformabilité est bonne, plus la densité relative que le matériau peut atteindre à une pression donnée est élevée.
Les essais expérimentaux montrent que la densité relative des électrolytes solides inorganiques tels que Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 et Li2ZrCl6, connus pour leur bonne déformabilité, est inférieure à 90% à 300 MPa. En revanche, Li1.75ZrCl4.75O0.5 a une densité relative de 94,2% à 300 MPa, de sorte que sa déformabilité dépasse celle de tous les électrolytes solides mentionnés ci-dessus.
Compressibilité du LZCO
Une excellente conductivité ionique et une bonne déformabilité permettent aux batteries à l'état solide composées d'électrolytes à l'état solide Li1.75ZrCl4.75O0.5 de démontrer d'excellentes performances.
Une batterie à l'état solide utilisant du LiCoO2 (LCO) non enrobé comme électrode positive, un alliage de Li-In comme électrode positive et un alliage de Li-In comme électrode positive. anode de batterie lithium-ionGrâce à l'électrolyte solide Li1.75ZrCl4.75O0.5 et à la couche tampon Li6PS5Cl entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 et l'électrode négative, l'efficacité coulombienne du premier cycle peut atteindre 98,28% à 25 °C, 14 mA g-1. Elle est meilleure que celle du même type de batterie à l'état solide rapportée dans la littérature.
En outre, après 150 cycles de la batterie à l'état solide à base de LCO à une densité de courant élevée de 25 °C et 700 mA g-1, la capacité n'est pratiquement pas atténuée et la capacité de décharge de 102 mAh g-1 peut encore être atteinte. Une batterie similaire composée de Li2ZrCl6 a une capacité de décharge similaire (114 mAh g-1) après 100 cycles à une densité de courant de seulement 1/10 des valeurs ci-dessus ( 70 mA g-1).
Performance électrochimique de la cellule Li-In,LPSCH-LZCO,LCO
En utilisant le cristal unique LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） en tant que matériaux de cathodela batterie à l'état solide présente toujours d'excellentes performances en termes de cycle. L'efficacité coulombienne du premier cycle de la batterie à 25 °C et 20 mA g-1 est de 87,31%.
Même après 2082 cycles à une densité de courant élevée de 1000 mA g-1, la capacité de décharge peut encore atteindre 70,2 mAh g-1. Des performances similaires (540 mA g-1, 3000 cycles, environ 70 mAh g-1 de capacité de décharge finale) avec l'électrolyte solide Li2In1/3Sc1/3Cl4 ont été récemment rapportées dans Nature Energy.
Toutefois, comme la synthèse de Li1.75ZrCl4.75O0.5 ne nécessite pas l'utilisation de composés coûteux tels que le chlorure de terres rares et le sulfure de lithium, le coût de sa matière première n'est que de $11.60/kg, soit moins de 0,3% du coût de la matière première de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418.10/kg). Il est également bien inférieur au seuil de $50/kg mentionné ci-dessus. Par conséquent, le Li1.75ZrCl4.75O0.5 est très compétitif en termes de coût et de performance.
Performance électrochimique de la cellule Li-In,LPSCH-LZCO, scNMCSII
Résumé et perspectives
Le groupe de recherche du professeur Ma Cheng a conçu et synthétisé un nouveau type d'électrolyte solide polycristallin à base de chlorure d'oxyde Li1.75ZrCl4.75O0.5. En termes de performances, ce matériau présente une conductivité ionique supérieure à celle de Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 et d'autres électrolytes solides à hautes performances, et est meilleur que les électrolytes solides facilement déformables tels que Li6PS5Cl et Li10GeP2S12.
La capacité de décharge d'une batterie à l'état solide composée de ce matériau après 2082 cycles à une densité de courant élevée de 1000 mA g-1 est proche de celle d'une batterie similaire à base de Li2In1/3Sc1/3Cl4 après 3000 cycles à 540 mA g-1.
En termes de coût, Li1.75ZrCl4.75O0.5 pouvant être synthétisé à partir de composés bon marché tels que LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, le coût de sa matière première n'est que de $11.60/kg, ce qui est non seulement inférieur à d'autres électrolytes solides aux propriétés similaires (généralement autour de $200/kg ou plus), mais aussi inférieur au seuil de $50/kg requis pour la commercialisation. Il est également inférieur au seuil de $50/kg requis pour la commercialisation.
En outre, s'il est synthétisé à partir de ZrOCl2-8H2O, LiCl et ZrCl4, moins chers, le coût de Li1.75ZrCl4.75O0.5 peut être encore réduit sur la base de $11.60/kg. La découverte de Li1.75ZrCl4.75O0.5 a permis de franchir la limite des "performances en termes de coûts" que l'électrolyte solide peut atteindre. Cet électrolyte à l'état solide, peu coûteux et très performant, donnera un coup de fouet à la commercialisation des batteries à l'état solide.
Un nouvel électrolyte solide pour batteries qui repousse les limites du coût et de la performance
Caractéristiques des électrolytes solides actuels
Du point de vue de la performance, dans des conditions idéales, le solide électrolyte pour batterie lithium-ion doit présenter des avantages en termes de conductivité ionique, de stabilité à l'oxydation, de stabilité à la réduction et de stabilité à l'humidité. Les électrolytes solides inorganiques rapportés peuvent être grossièrement divisés en trois catégories : les oxydes, les sulfures et les halogénures.
En tant que matériau fragile, les oxydes ne peuvent pas répondre à l'exigence de déformabilité. En revanche, les sulfures et les halogénures sont tous deux capables de se déformer sous des pressions spécifiques et il est relativement facile d'obtenir une conductivité ionique élevée. Cependant, Li2S, la matière première utilisée pour synthétiser le sulfure, est assez chère, atteignant $654,18/kg.
Étant donné que le rapport de masse de Li2S dans la matière première de l'électrolyte solide de sulfure est généralement supérieur à 30%, le coût de la matière première ne sera pas inférieur à $196,25/kg. Les halogénures ne peuvent atteindre une conductivité ionique élevée (> 1 mS cm-1) qu'en utilisant des terres rares ou des chlorures à base d'indium et d'autres matières premières coûteuses pour la synthèse, de sorte que le coût des matières premières est également assez élevé, généralement supérieur à $190/kg.
Par conséquent, ces trois types de matériaux ne peuvent pas répondre simultanément aux exigences de conductivité ionique, de déformabilité et de coût. La seule exception est le chlorure de lithium et de zirconium à électrolyte solide présenté par le groupe de recherche du professeur Ma Cheng à l'université des sciences et technologies de Chine en 2021.
Comme il ne contient pas de terres rares ni d'indium, le coût des matières premières est inférieur à $50/kg. Toutefois, la conductivité ionique du matériau est faible, environ 0,5 mS cm-1 seulement, ce qui ne permet pas de répondre aux exigences en matière d'efficacité du transport des ions.
En général, les électrolytes solides actuels à base d'oxyde, de sulfure et d'halogénure ne sont pas en mesure de répondre simultanément aux exigences des applications en matière de conductivité ionique, de déformabilité et de compétitivité des coûts.
Par exemple, même si la stabilité à l'oxydation ou à la réduction de l'électrolyte solide n'est pas bonne, tant que le matériau actif de l'électrode est construit sur le matériau d'enrobage approprié, la batterie peut encore avoir de bonnes performances.
Si ces propriétés sont exclues, l'électrolyte solide doit encore présenter une bonne conductivité ionique (supérieure à 1 mS cm-1 à température ambiante) et une bonne déformabilité (densité relative supérieure à 90% à 250-350 MPa). Cependant, les électrolytes solides actuels ne peuvent pas offrir ces deux avantages tout en étant suffisamment compétitifs en termes de coûts (moins de $50/kg).
Les nouveaux électrolytes solides pour batteries
Le groupe de recherche du professeur Ma Cheng de l'Université des sciences et technologies de Chine a conçu un nouvel électrolyte solide oxychlorure Li1.75ZrCl4.75O0.5, qui peut répondre aux exigences de l'industrie de l'électricité. batterie à l'état solide dans les trois aspects susmentionnés.
La conductivité ionique à température ambiante de Li1.75ZrCl4.75O0.5 atteint 2,42 mS cm-1, ce qui répond aux exigences d'application supérieures à 1 mS cm-1, et n'est pas inférieure aux halogénures à base de sulfure et de terres rares/indium.
En outre, l'oxychlorure de lithium et de zirconium présente également une bonne déformabilité, et la densité relative après pressage à froid à 300 MPa atteint 94,2%, ce qui dépasse celle des électrolytes solides connus pour leur bonne déformabilité, tels que Li3InCl6 et Li10GeP2S12 (la densité est inférieure à 90% sous la même pression).
En raison des caractéristiques susmentionnées, la batterie tout solide composée de Li1.75ZrCl4.75O0.5 présente d'excellentes performances. La batterie tout solide basée sur le LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 monocristallin peut encore atteindre une capacité de décharge de 70,2mAh g-1 après 2082 cycles sous une densité de courant élevée de 1000 mA g-1. Cette performance est proche de celle de l'électrolyte solide Li2In1/3Sc1/3Cl4, récemment publiée dans Nature Energy (540 mA g-1, 3000 cycles, environ 70 mAh g-1 de capacité de décharge finale).
Toutefois, le coût de Li1.75ZrCl4.75O0.5 est bien inférieur à celui de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11.60/kg contre $4418.10/kg, soit moins de 0,3% de ce dernier) et bien en dessous du seuil de $50/kg mentionné ci-dessus. Ce matériau à électrolyte solide, très compétitif en termes de coût et de performance, ouvre la voie à la commercialisation de batteries à l'état solide.
Processus de recherche du nouvel électrolyte solide
Les chercheurs ont d'abord essayé de synthétiser une série d'électrolytes solides Li2+xZrCl6-xOx par une méthode de broyage à billes à haute énergie. La formule chimique peut également être exprimée comme (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). La diffraction des rayons X montre que les composants avec x≤0,25 présentent une structure P-3m1. Avec l'augmentation de x, une phase avec la structure de C2/m apparaît dans le matériau et coexiste avec la phase P-3m1.
Lorsque x≥1,0, le matériau ne présente que la phase C2/m. Dans la région de coexistence de deux phases entre 0,25<x<1,0, la structure cristalline du matériau est particulièrement vulnérable aux dommages causés par le broyage à billes à haute énergie, et la cristallinité est inférieure à 20%. Étant donné que les électrolytes solides à base de chlorure de Zr reposent généralement sur des phases amorphes pour un transport efficace des ions, cela pourrait signifier que les matériaux présentant une coexistence de 0,25<x<1,0 de ces phases cristallines doubles ont une conductivité ionique plus élevée.
Le test de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) montre que les composants à double coexistence de phases cristallines ont une conductivité ionique plus élevée. Conformément aux résultats attendus, la conductivité ionique à température ambiante des composants biphasés à faible cristallinité est généralement plus élevée que celle des composants monophasés.
Au point de composant x=0,5 (formule chimique : Li2.5ZrCl5.5O0.5), la conductivité ionique à température ambiante atteint 1,17 mS cm-1, ce qui n'est pas mauvais, même en comparaison avec les électrolytes solides d'halogénures à base de terres rares ou d'indium.
Bien que la conductivité ionique des matériaux susmentionnés ait dépassé 1 mS cm-1, elle peut encore être améliorée. D'après la tendance de la conductivité ionique en fonction de la composition, les chercheurs ont constaté que lorsque la composition de la région biphasée du diagramme de phase est proche de sa limite de phase avec la région monophasée, la conductivité ionique est améliorée.
Afin de contrôler précisément la composition et de la rendre proche de la limite de phase, les chercheurs ont introduit un troisième composant LiZrCl5 sur la base du composant Li2.5ZrCl5.5O0.5 ci-dessus (c'est-à-dire 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) qui présente la conductivité ionique la plus élevée.
Il en résulte une série de composants (75%-y)Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 ou Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5. Selon les résultats de la diffraction des rayons X, avec l'augmentation de y, l'intensité du pic de diffraction de la phase P-3m1 dans Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） augmente progressivement, tandis que celle de la phase C2/m diminue progressivement.
Lorsque y=0,75, bien que la phase P-3m1 et la phase C2/m coexistent toujours, le pic caractéristique de cette dernière devient extrêmement faible, ce qui indique que le composant est assez proche de la limite de phase entre la région biphasée et la région monophasée dans le diagramme de phase.
Comme prévu, la conductivité ionique à température ambiante de Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5 augmente de manière significative avec l'augmentation de y (c'est-à-dire que la composition continue à s'approcher de la limite de phase entre la région monophasée et la région biphasée dans le diagramme de phase).
Pour la composition de la région biphasée y=0,75 (formule chimique : Li1.75ZrCl4.75O0.5), la conductivité ionique du matériau à 25°C atteint 2,42 mS cm-1, surpassant les électrolytes solides tels que Li3InCl6 et Li2In1/3Sc1/3Cl4, qui sont basés sur des matières premières coûteuses.
Outre la conductivité ionique, la déformabilité de Li1.75ZrCl4.75O0.5 est également excellente. Cette propriété peut être évaluée par la densité relative que le matériau peut atteindre sous certaines pressions. Plus la déformabilité est bonne, plus la densité relative que le matériau peut atteindre à une pression donnée est élevée.
Les essais expérimentaux montrent que la densité relative des électrolytes solides inorganiques tels que Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 et Li2ZrCl6, connus pour leur bonne déformabilité, est inférieure à 90% à 300 MPa. En revanche, Li1.75ZrCl4.75O0.5 a une densité relative de 94,2% à 300 MPa, de sorte que sa déformabilité dépasse celle de tous les électrolytes solides mentionnés ci-dessus.
Une excellente conductivité ionique et une bonne déformabilité permettent aux batteries à l'état solide composées d'électrolytes à l'état solide Li1.75ZrCl4.75O0.5 de démontrer d'excellentes performances.
Une batterie à l'état solide utilisant du LiCoO2 (LCO) non enrobé comme électrode positive, un alliage de Li-In comme électrode positive et un alliage de Li-In comme électrode positive. anode de batterie lithium-ionGrâce à l'électrolyte solide Li1.75ZrCl4.75O0.5 et à la couche tampon Li6PS5Cl entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 et l'électrode négative, l'efficacité coulombienne du premier cycle peut atteindre 98,28% à 25 °C, 14 mA g-1. Elle est meilleure que celle du même type de batterie à l'état solide rapportée dans la littérature.
En outre, après 150 cycles de la batterie à l'état solide à base de LCO à une densité de courant élevée de 25 °C et 700 mA g-1, la capacité n'est pratiquement pas atténuée et la capacité de décharge de 102 mAh g-1 peut encore être atteinte. Une batterie similaire composée de Li2ZrCl6 a une capacité de décharge similaire (114 mAh g-1) après 100 cycles à une densité de courant de seulement 1/10 des valeurs ci-dessus ( 70 mA g-1).
En utilisant le cristal unique LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） en tant que matériaux de cathodela batterie à l'état solide présente toujours d'excellentes performances en termes de cycle. L'efficacité coulombienne du premier cycle de la batterie à 25 °C et 20 mA g-1 est de 87,31%.
Même après 2082 cycles à une densité de courant élevée de 1000 mA g-1, la capacité de décharge peut encore atteindre 70,2 mAh g-1. Des performances similaires (540 mA g-1, 3000 cycles, environ 70 mAh g-1 de capacité de décharge finale) avec l'électrolyte solide Li2In1/3Sc1/3Cl4 ont été récemment rapportées dans Nature Energy.
Toutefois, comme la synthèse de Li1.75ZrCl4.75O0.5 ne nécessite pas l'utilisation de composés coûteux tels que le chlorure de terres rares et le sulfure de lithium, le coût de sa matière première n'est que de $11.60/kg, soit moins de 0,3% du coût de la matière première de Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418.10/kg). Il est également bien inférieur au seuil de $50/kg mentionné ci-dessus. Par conséquent, le Li1.75ZrCl4.75O0.5 est très compétitif en termes de coût et de performance.
Résumé et perspectives
Le groupe de recherche du professeur Ma Cheng a conçu et synthétisé un nouveau type d'électrolyte solide polycristallin à base de chlorure d'oxyde Li1.75ZrCl4.75O0.5. En termes de performances, ce matériau présente une conductivité ionique supérieure à celle de Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 et d'autres électrolytes solides à hautes performances, et est meilleur que les électrolytes solides facilement déformables tels que Li6PS5Cl et Li10GeP2S12.
La capacité de décharge d'une batterie à l'état solide composée de ce matériau après 2082 cycles à une densité de courant élevée de 1000 mA g-1 est proche de celle d'une batterie similaire à base de Li2In1/3Sc1/3Cl4 après 3000 cycles à 540 mA g-1.
En termes de coût, Li1.75ZrCl4.75O0.5 pouvant être synthétisé à partir de composés bon marché tels que LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, le coût de sa matière première n'est que de $11.60/kg, ce qui est non seulement inférieur à d'autres électrolytes solides aux propriétés similaires (généralement autour de $200/kg ou plus), mais aussi inférieur au seuil de $50/kg requis pour la commercialisation. Il est également inférieur au seuil de $50/kg requis pour la commercialisation.
En outre, s'il est synthétisé à partir de ZrOCl2-8H2O, LiCl et ZrCl4, moins chers, le coût de Li1.75ZrCl4.75O0.5 peut être encore réduit sur la base de $11.60/kg. La découverte de Li1.75ZrCl4.75O0.5 a permis de franchir la limite des "performances en termes de coûts" que l'électrolyte solide peut atteindre. Cet électrolyte à l'état solide, peu coûteux et très performant, donnera un coup de fouet à la commercialisation des batteries à l'état solide.