伴隨著環保理念的不斷普及，世界各國都在推廣新能源生活方式，如利用新能源發電和供電、採用新能源交通工具等等，其中鋰電池作為新能源儲存系統，目前被廣泛應用於各個領域中。2021 年 1 月，蔚來宣稱將於 2022 年第四季度交付裝配固態電池的新款汽車車型，能量密度超過360 Wh/Kg，續航里程超過1000公里。這是業內首次有整車企宣佈將量產搭載固態電池的車型，隨後市場對於固態鋰電池的關注度明顯升高。作為鋰電池家族的重要成員——固態鋰-空氣電池系統，其能夠促進動力電池安全性提高，並且量產能量密度能夠達到500～600Wh/kg，充電速度每分鐘可增加800km，被業內譽為“新能源汽車的最佳核心部件”。

但是從目前固態鋰-空氣電池技術發展來看，由於傳統固體電解質對鋰金屬或空氣的不穩定性，以構建低阻介面的困難，因此不適合其用於固態鋰-空氣電池系統中。面對業內面臨的技術瓶頸，吉林大學徐吉靜教授和于吉紅院士等人利用沸石作為無機固體電解質材料，製成了高度穩定、可整合和柔性的固態鋰-空氣電池，並且該研究已在全球頂級科研期刊《Nature》中發表。由於沸石具有強穩定性，因此能夠有效抑制電解液因鋰或空氣的作用而退化等問題，可延長迴圈壽命，同時該技術可擴充套件到其他能量儲存系統，如鋰離子電池、鈉-空氣電池和鈉離子電池，可以說“沸石電池”的時代馬上就要到來！

固態鋰（Li）-空氣電池與現存問題

隨著能源危機和環境汙染問題的日益突顯，人們對清潔、可再生能源的需求越來越迫切。實際應用中，太陽能、風能、水力等可再生能源需要被轉化為電能等二次能源才能廣泛被人們加以利用。為解決這類自然可再生能源與電力需求在時空分佈上的不匹配問題，儲能技術的發展必不可少。

在眾多儲能技術中，電化學儲能技術，即電池的使用受到人們越來越多的關注，其具有高效、規模可調的特點，既可整合於電力系統作為能量儲存單元，起到對電網削峰填谷的作用，提高電網執行的可靠性和穩定性，也可用於移動通訊、新能源汽車等領域，為人類生活質量的提高提供源源不斷的能量支援。

自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來，鋰電池在全球範圍內迅速普及，成為許多行動式電子產品首選的電池能源系統型別。近年來，伴隨著電動汽車的興起，以及可再生能源發電對大規模儲能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，開發安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點。其中，作為鋰電池技術中的重要組成——固態鋰（Li）-空氣電池，被認為可以用於解決下一代能量儲存的技術中液體電池系統遇到的安全性和電化學穩定性問題。

（採用不同材料得到的理論能量密度上限，金屬鋰負極可以做到 350 - 500 Wh/Kg）

作為當前現有電池系統中，具有高理論能量密度的鋰-空氣電池，已經廣泛應用於各大領域中， 並且被研究學者認為其有望在下一代能量儲存裝置中發揮突出作用。但是與此同時，其依舊面臨著突出的安全性問題：由於傳統的固體電解質對鋰金屬或空氣的不穩定性，以及構建低阻介面的困難，因此不適合用於固態鋰-空氣電池系統的長期發展。

（鋰負極令人困擾的鋰枝晶問題）

面對這一問題，國內外研究人員均加大力度開發新的固態鋰空氣電池，在近幾年研究中，儘管已研發出一些具有高離子導電性和良好安全效能的無機固體電解質，但是其均呈現出對鋰金屬或空氣的不穩定性等問題，目前不適合該電池系統。此外，固體電解質的高電導率導致鋰在電解質內部成核，從而在電池中產生短路；低成本大規模生產SSLABs仍然困難，而常規無機固體電解質的非柔性也限制了其應用。

因此，研發設計一種同時具有高環境適應性和優越電化學效能的固體電解質仍然是能源儲存領域的巨大挑戰。

沸石電池：新能源儲存的有效解決方案

2021年4月21日，吉林大學吉紅院士和徐吉靜教授在全球頂級科研期刊《Nature》雜誌發表了題為“A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery”的文章，該研究介紹一種整合的固態鋰空氣電池，其以沸石作為材料，將其製備為超薄的高離子導電鋰離子交換沸石X（LiX）膜，以其作為唯一的固體電解質。

設計原理

（1）沸石作為一種含水的鹼金屬或鹼土金屬的矽鋁酸鹽礦物，在各行業中有著廣泛應用，其在空氣組分中具有高穩定性，因此滿足固體電解質在固態鋰空氣電池中的基本要求。該種新型鋰電池具有高的離子電導率、低的電子電導率，對空氣和鋰負極的組分具有優異的穩定性。

（2）以碳奈米管為正極的鋰-空氣電池整體結構有利於降低介面電阻。與含有機電解質的傳統鋰電池相比，該固態鋰-空氣電池在環境空氣中表現出更加優越的效能。由於其良好的結構和優異的效能，含有固體沸石電解質的鋰空氣電池有望在儲能領域得到廣泛的應用。

（沸石固體電解質的原理圖和表徵）

沸石基固態電解質的設計與表徵

研究中製備了Si/Al比接近1。0的鋰離子交換單晶來表徵該沸石的固有離子電導率。在水溶液中進行離子交換過程後，材料的晶體結構保持良好，證明了LiXZM對水的高穩定性。值得注意的是，LiXZM在常溫條件下儲存一年後，XRD圖譜沒有變化，這表明它與常規無機固體電解質相比具有較高的穩定性，這種優越的穩定性對於鋰-空氣電池來說至關重要。除此之外，LiXZM具有較好的機械耐久性，可以有效地防止Li枝晶的形成及其後續的負面影響。

C-LiXZM的電池電極介面的構造

合理地構造固體LiXZM電解質與正極之間的介面，可以克服傳統無機固體電解質電池中存在的過度接觸阻抗。首先採用化學氣相沉積法在不鏽鋼網上原位生長氮摻雜碳奈米管作為正極（CNT-SS）。然後將CNT-SS的一側進行親水性處理，塗上NaX沸石晶種漿，經水熱處理形成NaXZM。最後經過鋰離子交換，得到完整的正極-固體電解質結構（C-LiXZM）。

值得注意的是，CNT-SS的親水側有利於沸石晶種的擴散，而疏水側則是與空氣接觸的正極，為放電產物（Li2O2）提供了充分的保護，使其不受水侵蝕。這兩種表面都對離子液體電解質表現出良好的親和力，有利於鋰離子進一步向正極遷移，也有利於Li2O2的保護。

（含C-LiXZM的固態電池效能）

研究亮點

（1）沸石固態鋰-空氣電池設計：透過材料和結構合理設計，以沸石作為無機固體電解質，開發了一種高度穩定、靈活、高整合的固態鋰-空氣電池。

（2）高容量高穩定性：該材料克服了傳統固體電解質不穩定、介面相容性差和電導率高的缺點，在環境空氣中具有高容量和高速率能力和長迴圈壽命。

（3）適用性廣泛：由於該系統具有強的電化學效能、安全性、柔韌性和環境適應性，因此有望成為下一代能源儲存系統。另外，其應用還有望拓展到鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、鈉空氣電池等固態儲能體系，展現出廣闊的應用前景。新型沸石固態電解質的成功研製，為固態電解質材料和固態儲能器件的發展提供了新思路。

（新型固態電解質效能優勢）

近幾年，專業從事固態電池研發的企業成為推動能源儲存產業發展的重要力量，海內外整車廠積極擁抱和參與。在國內，北汽、上汽、廣汽等大型汽車企業進行多輪投資；在國外，固態電池全球第一股QuantumScape 獲得了大眾、上汽的投資；Solid Power 獲得了三星、現代、福特的投資，並與寶馬、福特達成深度合作伙伴關係等。另一方面，車企、動力電池巨頭和鋰資源巨頭也積極佈局固態電池產業。

沸石作為鋰-空氣電池製備的新型材料，其電化學效能、靈活性和穩定性賦予了強大的適用性，相信未來沸石電池將展現出更為明顯的效能優勢與產業化前景，掀起新一代新能源儲存產業的巨大變革！我們期待著！

內容選取自：奈米人、網易新聞

部分資料來源自：知網、萬方、sci-hub、BASE

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