Novo eletrólito sólido para baterias que ultrapassa os limites do custo e do desempenho
A fim de concretizar a comercialização de produtos de estado sólido indústria das pilhas de lítioOs electrólitos de estado sólido não só precisam de demonstrar um excelente desempenho, como também precisam de ter uma competitividade de custos suficientemente forte.
A este respeito, este artigo introduzirá um eletrólito sólido que pode satisfazer os requisitos acima referidos ao mesmo tempo, o que desempenha um papel importante na promoção da comercialização de baterias de estado sólido.
Índice
Características dos electrólitos sólidos actuais
Do ponto de vista do desempenho, em condições ideais, os produtos sólidos eletrólito de bateria de iões de lítio O eletrólito sólido inorgânico tem de apresentar simultaneamente vantagens em termos de condutividade iónica, estabilidade à oxidação, estabilidade à redução e estabilidade à humidade. Os electrólitos sólidos inorgânicos referidos podem ser divididos, grosso modo, em três categorias: óxidos, sulfuretos e halogenetos.
Sendo um material frágil, os óxidos não podem satisfazer o requisito de deformabilidade. Em contrapartida, os sulfuretos e os halogenetos são ambos capazes de se deformar sob pressões específicas e são também relativamente fáceis de obter uma elevada condutividade iónica. No entanto, o Li2S, a matéria-prima utilizada para sintetizar o sulfureto, é bastante caro, atingindo $654,18/kg.
Considerando que a relação de massa de Li2S na matéria-prima do eletrólito sólido de sulfureto é geralmente superior a 30%, o custo da matéria-prima não será inferior a $196,25/kg. Os halogenetos só podem atingir uma condutividade iónica elevada (> 1 mS cm-1) utilizando terras raras ou cloreto à base de índio e outras matérias-primas dispendiosas para a síntese, pelo que o custo da matéria-prima é também bastante elevado, na sua maioria superior a $190/kg.
Por conseguinte, todos estes três tipos de materiais não podem satisfazer simultaneamente os requisitos de condutividade iónica, deformabilidade e custo. A única exceção é o eletrólito sólido de cloreto de zircónio e lítio, relatado pelo grupo de investigação do Professor Ma Cheng na Universidade de Ciência e Tecnologia da China em 2021.
Uma vez que não contém elementos de terras raras ou índio, o custo da matéria-prima é inferior a $50/kg. No entanto, a condutividade iónica do material é baixa, apenas cerca de 0,5 mS cm-1, o que não permite satisfazer os requisitos de eficiência do transporte de iões.
Em geral, os actuais electrólitos sólidos de óxido, sulfureto e halogeneto não são capazes de satisfazer os requisitos da aplicação em termos de condutividade iónica, deformabilidade e competitividade de custos ao mesmo tempo.
No entanto, muitas destas propriedades podem ser compensadas de outras formas, por exemplo, mesmo que a estabilidade de oxidação ou redução do eletrólito sólido não seja boa, desde que o material ativo do elétrodo seja construído sobre o material de revestimento adequado, então a bateria pode ainda ter um bom desempenho.
Se essas propriedades forem excluídas, o eletrólito sólido continua a necessitar de uma boa condutividade iónica (superior a 1 mS cm-1 à temperatura ambiente) e de deformabilidade (densidade relativa superior a 90% a 250-350 MPa). No entanto, os actuais electrólitos de estado sólido não podem proporcionar ambas as vantagens de desempenho, sendo ao mesmo tempo suficientemente competitivos em termos de custos (inferiores a $50/kg).
Os novos electrólitos sólidos para baterias
O grupo de investigação do Professor Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China concebeu um novo eletrólito sólido de oxicloreto Li1.75ZrCl4.75O0.5, que pode satisfazer os requisitos de bateria de estado sólido nos três aspectos acima referidos.
A condutividade iónica à temperatura ambiente do Li1.75ZrCl4.75O0.5 atinge 2,42 mS cm-1, o que satisfaz os requisitos de aplicação acima de 1 mS cm-1, e não é inferior aos halogenetos à base de sulfureto e de terras raras/índio.
Além disso, o oxicloreto de lítio e zircónio tem também uma boa deformabilidade e a densidade relativa após prensagem a frio a 300 MPa é tão elevada como 94,2%, o que excede a dos electrólitos sólidos conhecidos pela sua boa deformabilidade, como o Li3InCl6 e o Li10GeP2S12 (a densidade é inferior a 90% sob a mesma pressão).
Devido às características acima referidas, a bateria de estado sólido composta por Li1.75ZrCl4.75O0.5 apresenta um excelente desempenho. A bateria de estado sólido baseada em LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 de cristal único pode ainda atingir a capacidade de descarga de 70,2mAh g-1 após 2082 ciclos sob a elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1. Este valor aproxima-se do desempenho do eletrólito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4, semelhante a uma bateria, recentemente publicado na revista Nature Energy (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidade de descarga final de cerca de 70 mAh g-1).
No entanto, o custo do Li1,75ZrCl4,75O0,5 é muito inferior ao do Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11,60/kg contra $4418,10/kg, que é inferior a 0,3% deste último) e muito inferior ao limiar de $50/kg acima referido. Este material de eletrólito sólido, que apresenta uma forte competitividade em termos de custo e desempenho, abre caminho à comercialização de baterias de estado sólido.
Processo de investigação do novo eletrólito sólido
Os investigadores começaram por tentar sintetizar uma série de electrólitos sólidos Li2+xZrCl6-xOx através do método de moagem de bolas de alta energia. A fórmula química também pode ser expressa como (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). A difração de raios X mostra que os componentes com x≤0,25 apresentam uma estrutura P-3m1. Com o aumento adicional de x, uma fase com a estrutura de C2/m aparece no material e coexiste com a fase P-3m1.
Evolução de fase dependente da composição em Li2+xZrCl6-xOx
Quando x≥1,0, o material exibe apenas a fase C2/m. Na região de coexistência de duas fases entre 0,25<x<1,0, a estrutura cristalina do material é particularmente vulnerável a danos por moagem de bolas de alta energia, e a cristalinidade é inferior a 20%. Uma vez que os electrólitos sólidos de cloreto à base de Zr dependem tipicamente de fases amorfas para um transporte eficiente de iões, isto pode significar que os materiais com coexistência de 0,25<x<1,0 destas fases cristalinas duplas têm maior condutividade iónica.
O teste de espetroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostra que os componentes com coexistência de dupla fase cristalina têm uma condutividade iónica mais elevada. De acordo com os resultados esperados, a condutividade iónica à temperatura ambiente dos componentes de duas fases com menor cristalinidade é geralmente superior à dos componentes de fase única.
No ponto de componente x=0,5 (fórmula química: Li2,5ZrCl5,5O0,5), a condutividade iónica à temperatura ambiente atinge 1,17 mS cm-1, o que não é mau, mesmo quando comparado com os electrólitos sólidos de terras raras ou de halogenetos à base de índio.
Comportamento do transporte de iões de lítio do Li2+xZrCl6-xOx
Embora a condutividade iónica dos materiais acima referidos tenha excedido 1 mS cm-1, pode ainda ser melhorada. De acordo com a tendência da condutividade iónica com a composição, os investigadores descobriram que quando a composição da região bifásica no diagrama de fases está próxima da sua fronteira de fase com a região monofásica, a condutividade iónica será melhorada.
Para controlar com precisão a composição e aproximá-la do limite de fase, os investigadores introduziram um terceiro componente LiZrCl5 com base no componente Li2.5ZrCl5.5O0.5 acima referido (ou seja, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) com a condutividade iónica mais elevada.
Isso resulta em uma série de componentes (75%-y) Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 ou Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5. De acordo com os resultados de difração de raios-X, com o aumento de y, a intensidade do pico de difração da fase P-3m1 em Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） aumenta gradualmente, enquanto o da fase C2 / m diminui gradualmente.
Quando y=0,75, embora a fase P-3m1 e a fase C2/m ainda coexistam, o pico caraterístico desta última torna-se extremamente fraco, indicando que o componente está bastante próximo da fronteira de fase entre a região bifásica e a região monofásica no diagrama de fases.
Como esperado, a condutividade iónica à temperatura ambiente do Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5 aumenta significativamente com o aumento de y (ou seja, a composição continua a aproximar-se da fronteira de fase entre a região monofásica e a região bifásica no diagrama de fases).
Para a composição da região bifásica y=0,75 (fórmula química: Li1,75ZrCl4,75O0,5), a condutividade iónica do material a 25°C atinge 2,42 mS cm-1, ultrapassando electrólitos sólidos como Li3InCl6 e Li2In1/3Sc1/3Cl4, que se baseiam em matérias-primas caras.
Estruturas e condutividades iónicas de Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5
Para além da condutividade iónica, a deformabilidade do Li1.75ZrCl4.75O0.5 é também bastante excelente. Esta propriedade pode ser avaliada pela densidade relativa que o material pode atingir sob determinadas pressões. Quanto melhor for a deformabilidade, maior será a densidade relativa que o material pode atingir a uma determinada pressão.
Testes experimentais mostram que a densidade relativa de electrólitos sólidos inorgânicos como Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 e Li2ZrCl6, que são conhecidos pela sua boa deformabilidade, é inferior a 90% a 300 MPa. Em contrapartida, o Li1,75ZrCl4,75O0,5 tem uma densidade relativa de 94,2% a 300 MPa, pelo que a sua deformabilidade excede a de todos os electrólitos sólidos acima referidos.
Compressibilidade do LZCO
A excelente condutividade iónica e a boa deformabilidade permitem que as baterias de estado sólido compostas por electrólitos de estado sólido Li1.75ZrCl4.75O0.5 demonstrem um excelente desempenho.
Uma bateria de estado sólido que utiliza LiCoO2 (LCO) não revestido como elétrodo positivo, liga de Li-In como elétrodo positivo. ânodo de bateria de iões de lítioLi1.75ZrCl4.75O0.5 como eletrólito sólido, e Li6PS5Cl como camada tampão entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 e o elétrodo negativo, a eficiência de coulomb do primeiro ciclo de até 98.28% a 25 °C, 14 mA g-1. É melhor do que o mesmo tipo de bateria de estado sólido relatado na literatura.
Além disso, após 150 ciclos da bateria de estado sólido baseada em LCO a uma elevada densidade de corrente de 25 °C e 700 mA g-1, a capacidade não é basicamente atenuada e a capacidade de descarga de 102 mAh g-1 pode ainda ser alcançada. Uma bateria semelhante composta por Li2ZrCl6 tem uma capacidade de descarga semelhante (114 mAh g-1) após 100 ciclos a uma densidade de corrente de apenas 1/10 dos valores acima referidos (70 mA g-1).
Desempenho eletroquímico da célula Li-In,LPSCH-LZCO,LCO
Ao usar LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） de cristal único como o materiais catódicosa bateria de estado sólido continua a apresentar um excelente desempenho em termos de ciclos. A eficiência coulombiana do primeiro ciclo da bateria a 25 °C e 20 mA g-1 é de 87,31%.
Mesmo após 2082 ciclos a uma elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1, a capacidade de descarga pode ainda atingir 70,2 mAh g-1. Um desempenho semelhante da bateria (540 mA g-1, 3000 ciclos, cerca de 70 mAh g-1 de capacidade de descarga final) com eletrólito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4 foi recentemente publicado na Nature Energy.
No entanto, uma vez que a síntese de Li1,75ZrCl4,75O0,5 não requer a utilização de compostos dispendiosos, como o cloreto de terras raras e o sulfureto de lítio, o seu custo de matéria-prima é de apenas $11,60/kg, menos de 0,3% do custo da matéria-prima do Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418,10/kg). É também bastante inferior ao limiar de $50/kg acima referido. Por conseguinte, o Li1,75ZrCl4,75O0,5 é altamente competitivo tanto em termos de custo como de desempenho.
Desempenho eletroquímico da célula Li-In,LPSCH-LZCO, scNMCSII
Síntese e perspectivas
O grupo de investigação do Professor Ma Cheng concebeu e sintetizou um novo tipo de eletrólito sólido de cloreto de óxido policristalino Li1.75ZrCl4.75O0.5. Em termos de desempenho, o material tem mais condutividade iónica do que o Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 e outros electrólitos sólidos de alto desempenho, e é melhor do que os electrólitos sólidos facilmente deformáveis, como o Li6PS5Cl e o Li10GeP2S12.
A capacidade de descarga de uma bateria de estado sólido composta por este material após 2082 ciclos a uma elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1 é próxima da de uma bateria semelhante baseada em Li2In1/3Sc1/3Cl4 após 3000 ciclos a 540 mA g-1.
Em termos de custo, uma vez que o Li1.75ZrCl4.75O0.5 pode ser sintetizado a partir de compostos baratos como LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, o seu custo de matéria-prima é de apenas $11.60/kg, o que não só é inferior ao de outros electrólitos sólidos com propriedades semelhantes (na sua maioria, cerca de $200/kg ou superior). É também inferior ao limiar de $50/kg exigido para a comercialização.
Além disso, se sintetizado a partir de ZrOCl2-8H2O, LiCl e ZrCl4 mais baratos, o custo do Li1.75ZrCl4.75O0.5 pode ser ainda mais reduzido com base em $11.60/kg. A descoberta do Li1.75ZrCl4.75O0.5 quebrou o limite de "desempenho de custo" que o eletrólito sólido pode alcançar. Este eletrólito de estado sólido de baixo custo e elevado desempenho dará um grande impulso à comercialização de baterias de estado sólido.
Novo eletrólito sólido para baterias que ultrapassa os limites do custo e do desempenho
Características dos electrólitos sólidos actuais
Do ponto de vista do desempenho, em condições ideais, os produtos sólidos eletrólito de bateria de iões de lítio O eletrólito sólido inorgânico tem de apresentar simultaneamente vantagens em termos de condutividade iónica, estabilidade à oxidação, estabilidade à redução e estabilidade à humidade. Os electrólitos sólidos inorgânicos referidos podem ser divididos, grosso modo, em três categorias: óxidos, sulfuretos e halogenetos.
Sendo um material frágil, os óxidos não podem satisfazer o requisito de deformabilidade. Em contrapartida, os sulfuretos e os halogenetos são ambos capazes de se deformar sob pressões específicas e são também relativamente fáceis de obter uma elevada condutividade iónica. No entanto, o Li2S, a matéria-prima utilizada para sintetizar o sulfureto, é bastante caro, atingindo $654,18/kg.
Considerando que a relação de massa de Li2S na matéria-prima do eletrólito sólido de sulfureto é geralmente superior a 30%, o custo da matéria-prima não será inferior a $196,25/kg. Os halogenetos só podem atingir uma condutividade iónica elevada (> 1 mS cm-1) utilizando terras raras ou cloreto à base de índio e outras matérias-primas dispendiosas para a síntese, pelo que o custo da matéria-prima é também bastante elevado, na sua maioria superior a $190/kg.
Por conseguinte, todos estes três tipos de materiais não podem satisfazer simultaneamente os requisitos de condutividade iónica, deformabilidade e custo. A única exceção é o eletrólito sólido de cloreto de zircónio e lítio, relatado pelo grupo de investigação do Professor Ma Cheng na Universidade de Ciência e Tecnologia da China em 2021.
Uma vez que não contém elementos de terras raras ou índio, o custo da matéria-prima é inferior a $50/kg. No entanto, a condutividade iónica do material é baixa, apenas cerca de 0,5 mS cm-1, o que não permite satisfazer os requisitos de eficiência do transporte de iões.
Em geral, os actuais electrólitos sólidos de óxido, sulfureto e halogeneto não são capazes de satisfazer os requisitos da aplicação em termos de condutividade iónica, deformabilidade e competitividade de custos ao mesmo tempo.
No entanto, muitas destas propriedades podem ser compensadas de outras formas, por exemplo, mesmo que a estabilidade de oxidação ou redução do eletrólito sólido não seja boa, desde que o material ativo do elétrodo seja construído sobre o material de revestimento adequado, então a bateria pode ainda ter um bom desempenho.
Se essas propriedades forem excluídas, o eletrólito sólido continua a necessitar de uma boa condutividade iónica (superior a 1 mS cm-1 à temperatura ambiente) e de deformabilidade (densidade relativa superior a 90% a 250-350 MPa). No entanto, os actuais electrólitos de estado sólido não podem proporcionar ambas as vantagens de desempenho, sendo ao mesmo tempo suficientemente competitivos em termos de custos (inferiores a $50/kg).
Os novos electrólitos sólidos para baterias
O grupo de investigação do Professor Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China concebeu um novo eletrólito sólido de oxicloreto Li1.75ZrCl4.75O0.5, que pode satisfazer os requisitos de bateria de estado sólido nos três aspectos acima referidos.
A condutividade iónica à temperatura ambiente do Li1.75ZrCl4.75O0.5 atinge 2,42 mS cm-1, o que satisfaz os requisitos de aplicação acima de 1 mS cm-1, e não é inferior aos halogenetos à base de sulfureto e de terras raras/índio.
Além disso, o oxicloreto de lítio e zircónio tem também uma boa deformabilidade e a densidade relativa após prensagem a frio a 300 MPa é tão elevada como 94,2%, o que excede a dos electrólitos sólidos conhecidos pela sua boa deformabilidade, como o Li3InCl6 e o Li10GeP2S12 (a densidade é inferior a 90% sob a mesma pressão).
Devido às características acima referidas, a bateria de estado sólido composta por Li1.75ZrCl4.75O0.5 apresenta um excelente desempenho. A bateria de estado sólido baseada em LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 de cristal único pode ainda atingir a capacidade de descarga de 70,2mAh g-1 após 2082 ciclos sob a elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1. Este valor aproxima-se do desempenho do eletrólito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4, semelhante a uma bateria, recentemente publicado na revista Nature Energy (540 mA g-1, 3000 ciclos, capacidade de descarga final de cerca de 70 mAh g-1).
No entanto, o custo do Li1,75ZrCl4,75O0,5 é muito inferior ao do Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($11,60/kg contra $4418,10/kg, que é inferior a 0,3% deste último) e muito inferior ao limiar de $50/kg acima referido. Este material de eletrólito sólido, que apresenta uma forte competitividade em termos de custo e desempenho, abre caminho à comercialização de baterias de estado sólido.
Processo de investigação do novo eletrólito sólido
Os investigadores começaram por tentar sintetizar uma série de electrólitos sólidos Li2+xZrCl6-xOx através do método de moagem de bolas de alta energia. A fórmula química também pode ser expressa como (1-a)Li2ZrCl6-aLi4ZrCl4O2(a = x/2). A difração de raios X mostra que os componentes com x≤0,25 apresentam uma estrutura P-3m1. Com o aumento adicional de x, uma fase com a estrutura de C2/m aparece no material e coexiste com a fase P-3m1.
Quando x≥1,0, o material exibe apenas a fase C2/m. Na região de coexistência de duas fases entre 0,25<x<1,0, a estrutura cristalina do material é particularmente vulnerável a danos por moagem de bolas de alta energia, e a cristalinidade é inferior a 20%. Uma vez que os electrólitos sólidos de cloreto à base de Zr dependem tipicamente de fases amorfas para um transporte eficiente de iões, isto pode significar que os materiais com coexistência de 0,25<x<1,0 destas fases cristalinas duplas têm maior condutividade iónica.
O teste de espetroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostra que os componentes com coexistência de dupla fase cristalina têm uma condutividade iónica mais elevada. De acordo com os resultados esperados, a condutividade iónica à temperatura ambiente dos componentes de duas fases com menor cristalinidade é geralmente superior à dos componentes de fase única.
No ponto de componente x=0,5 (fórmula química: Li2,5ZrCl5,5O0,5), a condutividade iónica à temperatura ambiente atinge 1,17 mS cm-1, o que não é mau, mesmo quando comparado com os electrólitos sólidos de terras raras ou de halogenetos à base de índio.
Embora a condutividade iónica dos materiais acima referidos tenha excedido 1 mS cm-1, pode ainda ser melhorada. De acordo com a tendência da condutividade iónica com a composição, os investigadores descobriram que quando a composição da região bifásica no diagrama de fases está próxima da sua fronteira de fase com a região monofásica, a condutividade iónica será melhorada.
Para controlar com precisão a composição e aproximá-la do limite de fase, os investigadores introduziram um terceiro componente LiZrCl5 com base no componente Li2.5ZrCl5.5O0.5 acima referido (ou seja, 75%Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2) com a condutividade iónica mais elevada.
Isso resulta em uma série de componentes (75%-y) Li2ZrCl6-25%Li4ZrCl4O2-yLiZrCl5 ou Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5. De acordo com os resultados de difração de raios-X, com o aumento de y, a intensidade do pico de difração da fase P-3m1 em Li2.5-yZrCl5.5-yO0.5（y≤0.75） aumenta gradualmente, enquanto o da fase C2 / m diminui gradualmente.
Quando y=0,75, embora a fase P-3m1 e a fase C2/m ainda coexistam, o pico caraterístico desta última torna-se extremamente fraco, indicando que o componente está bastante próximo da fronteira de fase entre a região bifásica e a região monofásica no diagrama de fases.
Como esperado, a condutividade iónica à temperatura ambiente do Li2,5-yZrCl5,5-yO0,5 aumenta significativamente com o aumento de y (ou seja, a composição continua a aproximar-se da fronteira de fase entre a região monofásica e a região bifásica no diagrama de fases).
Para a composição da região bifásica y=0,75 (fórmula química: Li1,75ZrCl4,75O0,5), a condutividade iónica do material a 25°C atinge 2,42 mS cm-1, ultrapassando electrólitos sólidos como Li3InCl6 e Li2In1/3Sc1/3Cl4, que se baseiam em matérias-primas caras.
Para além da condutividade iónica, a deformabilidade do Li1.75ZrCl4.75O0.5 é também bastante excelente. Esta propriedade pode ser avaliada pela densidade relativa que o material pode atingir sob determinadas pressões. Quanto melhor for a deformabilidade, maior será a densidade relativa que o material pode atingir a uma determinada pressão.
Testes experimentais mostram que a densidade relativa de electrólitos sólidos inorgânicos como Li6PS5Cl, Li10GeP2S12, Li3InCl6 e Li2ZrCl6, que são conhecidos pela sua boa deformabilidade, é inferior a 90% a 300 MPa. Em contrapartida, o Li1,75ZrCl4,75O0,5 tem uma densidade relativa de 94,2% a 300 MPa, pelo que a sua deformabilidade excede a de todos os electrólitos sólidos acima referidos.
A excelente condutividade iónica e a boa deformabilidade permitem que as baterias de estado sólido compostas por electrólitos de estado sólido Li1.75ZrCl4.75O0.5 demonstrem um excelente desempenho.
Uma bateria de estado sólido que utiliza LiCoO2 (LCO) não revestido como elétrodo positivo, liga de Li-In como elétrodo positivo. ânodo de bateria de iões de lítioLi1.75ZrCl4.75O0.5 como eletrólito sólido, e Li6PS5Cl como camada tampão entre Li1.75ZrCl4.75O0.5 e o elétrodo negativo, a eficiência de coulomb do primeiro ciclo de até 98.28% a 25 °C, 14 mA g-1. É melhor do que o mesmo tipo de bateria de estado sólido relatado na literatura.
Além disso, após 150 ciclos da bateria de estado sólido baseada em LCO a uma elevada densidade de corrente de 25 °C e 700 mA g-1, a capacidade não é basicamente atenuada e a capacidade de descarga de 102 mAh g-1 pode ainda ser alcançada. Uma bateria semelhante composta por Li2ZrCl6 tem uma capacidade de descarga semelhante (114 mAh g-1) após 100 ciclos a uma densidade de corrente de apenas 1/10 dos valores acima referidos (70 mA g-1).
Ao usar LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（scNMC811） de cristal único como o materiais catódicosa bateria de estado sólido continua a apresentar um excelente desempenho em termos de ciclos. A eficiência coulombiana do primeiro ciclo da bateria a 25 °C e 20 mA g-1 é de 87,31%.
Mesmo após 2082 ciclos a uma elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1, a capacidade de descarga pode ainda atingir 70,2 mAh g-1. Um desempenho semelhante da bateria (540 mA g-1, 3000 ciclos, cerca de 70 mAh g-1 de capacidade de descarga final) com eletrólito sólido Li2In1/3Sc1/3Cl4 foi recentemente publicado na Nature Energy.
No entanto, uma vez que a síntese de Li1,75ZrCl4,75O0,5 não requer a utilização de compostos dispendiosos, como o cloreto de terras raras e o sulfureto de lítio, o seu custo de matéria-prima é de apenas $11,60/kg, menos de 0,3% do custo da matéria-prima do Li2In1/3Sc1/3Cl4 ($4418,10/kg). É também bastante inferior ao limiar de $50/kg acima referido. Por conseguinte, o Li1,75ZrCl4,75O0,5 é altamente competitivo tanto em termos de custo como de desempenho.
Síntese e perspectivas
O grupo de investigação do Professor Ma Cheng concebeu e sintetizou um novo tipo de eletrólito sólido de cloreto de óxido policristalino Li1.75ZrCl4.75O0.5. Em termos de desempenho, o material tem mais condutividade iónica do que o Li3InCl6, Li2In1/3Sc1/3Cl4 e outros electrólitos sólidos de alto desempenho, e é melhor do que os electrólitos sólidos facilmente deformáveis, como o Li6PS5Cl e o Li10GeP2S12.
A capacidade de descarga de uma bateria de estado sólido composta por este material após 2082 ciclos a uma elevada densidade de corrente de 1000 mA g-1 é próxima da de uma bateria semelhante baseada em Li2In1/3Sc1/3Cl4 após 3000 ciclos a 540 mA g-1.
Em termos de custo, uma vez que o Li1.75ZrCl4.75O0.5 pode ser sintetizado a partir de compostos baratos como LiOH-H2O, LiCl, ZrCl4, o seu custo de matéria-prima é de apenas $11.60/kg, o que não só é inferior ao de outros electrólitos sólidos com propriedades semelhantes (na sua maioria, cerca de $200/kg ou superior). É também inferior ao limiar de $50/kg exigido para a comercialização.
Além disso, se sintetizado a partir de ZrOCl2-8H2O, LiCl e ZrCl4 mais baratos, o custo do Li1.75ZrCl4.75O0.5 pode ser ainda mais reduzido com base em $11.60/kg. A descoberta do Li1.75ZrCl4.75O0.5 quebrou o limite de "desempenho de custo" que o eletrólito sólido pode alcançar. Este eletrólito de estado sólido de baixo custo e elevado desempenho dará um grande impulso à comercialização de baterias de estado sólido.