孫學良院士/王長虹教授Angew：破譯硫化物固態電池產業成本難題

【研究背景】

全固態電池被公認為下一代高安全高比能動力電池的終極解決方案，而硫化物固態電解質（SSEs）憑借超高離子電導率與優異成型性，成為最具產業化潛力的技術路線之一。然而長期以來，SSEs的成本居高不下，成為全固態電池產業化的“卡脖子”難題，作為合成核心原材料的硫化鋰（Li₂S），成本占SSEs總造價的近90%。Li和S元素均非稀缺元素，因此降本的關鍵在合成方法，譬如工業主流采用金屬鋰和單質硫的燃爆法，原料成本高昂，反應安全性差，本征限制了材料的降本機會。

【工作簡介】

近日，寧波東方理工大學孫學良院士、王長虹教授團隊成功以工業基準原料碳酸鋰（Li₂CO₃）為鋰源，低成本的硫氰酸銨（NH₄SCN）為硫源，通過“多級復分解”反應制備出低成本且高品質的Li₂S，攻克SSEs的成本痛點。利用上述Li₂S合成了Li_5.4PS_4.6Cl_0.8Br_0.8 (LPSCB)和Li_5.4PS_4.6Cl_1.6 (LPSC)兩種經典SSEs，室溫離子導高達11.33和7.94 mS/cm。全固態電池在0.1C下放電比容量分別為192.2和198.8 mAh/g，1C下循環800次保持率達94.85%和94.89%。成本分析表明，使用這種由Li₂CO₃驅動的Li₂S合成的SSEs，總成本降低了86.6%和88.5%，突顯了其在推動SSEs面向全固態電池商業化的重要技術經濟優勢。該成果以Li₂CO₃-Derived Low-Cost Li₂S for Sulfide Solid Electrolytes Exceeding 11 mS cm^?1為題，發表在國際頂級化學期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發表，寧波東方理工大學為論文第一完成單位，孫學良院士和王長虹教授為論文通訊作者，朱蒙飛、夏圣杰、王超為共同第一作者。

【內容表述】

1. 關鍵原材料Li₂S從“天價原料”到“平民化制備”

傳統 Li₂S 制備方法存在成本高、安全性差、提純繁瑣、污染風險大等缺陷，無論是鋰硫爆燃法、酸堿中和發，還是碳熱、鎂熱還原法，都難以兼顧低成本與規模化生產。該研究選用工業基準原料Li₂CO₃（8.56 USD/kg）與廉價硫源NH₄SCN（3.56 USD/kg），反應僅生成CO₂、NH₃等氣態副產物，無需額外提純即可獲得高品質Li₂S，實現公斤級量產，顆粒均勻、結晶度高、適配硫化物固態電解質合成需求。

2. 分步反應實現低能耗路徑，反應機制兼顧安全與規模化

研究通過TG-IR、Raman、DFT計算等手段，完整揭示反應路徑：低溫段：Li₂CO₃與 NH₄SCN先生成LiSCN與(NH₄)₂CO₃，后者分解釋放NH₃、CO₂；高溫段：剩余Li₂CO₃進攻 SCN^-，生成Li₂S、HOCN與第二輪CO₂；有毒的副產物HOCN與NH₃可進一步通過“W?hler Synthesis”反應轉化為尿素，無固態廢渣，全程低能、安全可控。該反應將Li₂CO₃分解溫度從近900℃降至500℃以下，能耗更低、工藝更簡單，具備極強的工業化放大潛力。

3. 室溫電導率達11.33 mS/cm，比肩商用液態電解液

利用上述Li₂S，合成了Li_5.4PS_4.6Cl_0.8Br_0.8 (LPSCB)和Li_5.4PS_4.6Cl_1.6 (LPSC)兩種經典SSEs，結晶性良好，幾乎無雜質相，室溫離子電導率分別達11.33和7.94 mS/cm，電子電導率低至10^-8 S/cm級別。

4. 全固態電池性能優異，超800圈穩定循環

利用LPSCB和LPSC電解質，搭配LiNbO₃包覆的高鎳正極（Ni90@LNO）與鋰銦合金負極組裝全固態電池，0.1C初始容量分別達到192.2和198.8 mAh/g，首圈庫倫效率分別為81.9%和85.3%。0.1C~5C實現優異的倍率性能，1C循環800圈容量保持率接近95%。為了驗證全固態電池的可應用性，組裝軟包電芯，軟包電池可穩定輸出55.4 mAh，3C高倍率仍保留30.32%初始容量，且成功點亮LED小燈泡。 

5. 技術經濟性優勢明顯

從經濟性、產品純度、生產安全性、環境友好性、能耗效率、可操作性六項指標全面評估主流合成方法的優缺點。對硫化鋰和電解質材料進行了生產成本核算，該路線顯著降低Li₂S來源成本，使LPSCB和LPSC總成本相較商業Li₂S路線下降86.6%和88.5%，Li₂S對SSE總成本的貢獻也降至50%以下。

【文獻詳情】

M. Zhu, S. Xia, C. Wang, H. Hu, Z. Wang, L. Xie, K. Tuo, Z. Zhou, M. Wei, T. Liu, S. Liang, G. Hu, S. Zhang, J. Hong, X. Sun, C. Wang. Li₂CO₃-Derived Low-Cost Li₂S for Sulfide Solid Electrolytes Exceeding 11 mS cm^?1. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e8115835.

https://doi.org/10.1002/anie.8115835.