電子發燒友網綜合報道

在全球能源轉型的浪潮中，固態電池技術被視為突破傳統鋰離子電池能量密度與安全性瓶頸的關鍵所在。氧化物固態電解質憑借其出色的化學穩定性和寬溫域適應性，逐漸成為與硫化物路線并駕齊驅的重要技術分支。

近年來，科研人員在鋰鑭鋯氧（LLZO）體系中引入鉭（Ta）元素的創新嘗試，不僅使鋰離子電導率獲得近10倍的顯著提升，更通過優化合成工藝，為氧化物固態電池的規模化應用帶來了曙光，在儲能領域引發一場深刻的變革。

固態電池的電解質性能直接關乎電池的能量密度與循環壽命。傳統 LLZO 電解質雖然具備高達5V的電化學窗口，工作溫度范圍可覆蓋-20℃至200℃，但其鋰離子電導率僅為10?? S/cm，僅達硫化物電解質的十分之一，這一缺陷嚴重制約了其廣泛應用。

此外，晶界電阻過高、燒結過程中鋰元素揮發導致的結構缺陷，以及超過1100℃的嚴苛制備條件，使得LLZO長期停留在實驗室研究階段，難以實現大規模產業化生產。

科研團隊通過深入研究發現，元素摻雜能夠有效調控LLZO的晶格結構。借助密度泛函理論（DFT）計算可知，鉭原子的5d軌道與鋰離子的2s軌道之間存在強耦合作用，這種作用在LLZO晶格中構建出直徑達0.45nm的超離子傳輸通道，相比原始結構擴大了20%。

這種類似納米級高速通道的設計，將鋰離子遷移能壘從0.65eV大幅降至0.32eV，使得LLZO的電導率突破至10?3 S/cm，首次達到與硫化物電解質相當的水平。更為重要的是，鉭元素的引入顯著改善了燒結條件，將原本超過1100℃的高溫降至900℃，同時燒結時間縮短40%，有效解決了鋰揮發導致的成分偏差問題，材料致密度提升至96.8%。

性能的飛躍為固態電池帶來了全新的價值。當鉭摻雜LLZO與鋰金屬負極結合，全固態電池的理論能量密度可達500Wh/kg，較當前主流三元電池提升67%。

實驗室數據顯示，搭載該電解質的軟包電池實際能量密度已達425Wh/kg，在-20℃低溫環境下放電容量保持率高達85%，60℃高溫環境下循環500次容量衰減僅12%。這意味著電動汽車的續航里程將大幅提升，一輛搭載70kWh電池的緊湊型汽車，續航有望從500公里提升至800公里以上，且能實現10分鐘補充400公里續航的超快充模式。

在安全性方面，鉭摻雜LLZO同樣表現卓越。傳統液態電池的電解液燃點低于150℃，存在熱失控風險，而鉭摻雜LLZO的熱分解溫度超過800℃，從根源上消除了這一隱患。針刺測試中，含該電解質的電池短路后表面溫度僅上升至85℃，無起火爆炸現象；擠壓測試里，即便電池發生30%的形變仍能正常工作。

這種高安全性使其在儲能電站、航空航天等對安全要求極高的領域極具應用潛力，在100MWh級儲能項目中，采用該電解質可降低40%的消防系統成本，并省去復雜的熱管理模塊。

生產成本上，鉭摻雜LLZO也展現出明顯優勢。不同于硫化物電解質需要高純氬氣保護、納米級原料分散等嚴苛生產條件，鉭摻雜LLZO的制備僅需普通箱式爐和行星球磨機，原材料成本降低60%。

以年產10萬噸電解質計算，新的工藝路線可節省設備投資3.2億元，能耗降低55%。預計到2028年，采用該電解質的固態電池生產成本有望降至120美元/Wh，比同期硫化物電池低30%，與當前液態電池成本區間接近。

盡管取得了重大突破，鉭摻雜LLZO技術在產業化進程中仍面臨諸多挑戰。電解質與正極材料的界面阻抗目前仍高達150Ω?cm2，主要因高鎳正極在循環過程中產生微裂紋并發生元素擴散所致。

科研人員正著力研發石墨烯氧化物包覆層和鋰鎵合金過渡層，目標是將界面阻抗降至30Ω?cm2 以下。同時，針對固態電解質與硅基負極的兼容性問題，通過納米晶結構設計，將硅負極膨脹率控制在120%以內，循環壽命提升至800次。

此外，當前固態電池領域缺乏統一的測試標準，不同企業的性能數據難以橫向比較，這對行業發展形成阻礙。建立涵蓋電導率、界面阻抗、熱穩定性等12項核心指標的《氧化物固態電解質技術規范》迫在眉睫，同時安全認證體系也需盡快完善，為行業準入提供可靠依據。

全球固態電池產能規劃的快速增長，使得鉭元素的供需平衡面臨挑戰。2024年全球鉭礦產量約1.5萬噸，若全部用于LLZO生產，僅能滿足50GWh產能需求。為應對這一問題，業界一方面開發鉭尾礦回收技術，回收率已達92%；另一方面探索鈮元素部分替代方案，在保證電導率的前提下，將鉭用量降低30%。

小結

鉭摻雜LLZO技術的突破，不僅是材料科學領域的重大成果，更是一場從材料設計到產業生態的系統性變革。它證明了氧化物固態電池路線的可行性，為儲能技術開辟新路徑，成功避開硫化物的界面難題，突破傳統LLZO的性能瓶頸。隨著相關技術的不斷完善與應用，氧化物固態電池將逐步實現規模化應用，推動能源存儲從可用邁向好用，重塑萬億級儲能市場格局，助力人類邁向高效、安全、可持續的能源新時代。