近日，北京大學材料科學與工程學院龐全全團隊在Nature上發(fā)表了題為“All-solid-state Li?S batteries with fast solid?solid sulfur reaction”的研究工作。設(shè)計合成了系列具有高離子電導率的玻璃相硫化物電解質(zhì)材料，基于該材料所研制的全固態(tài)鋰硫電池，實現(xiàn)了快速固固反應速率和高循環(huán)穩(wěn)定性。該研究為發(fā)展高比能高安全的下一代動力電池提供了新的技術(shù)方案。

　　隨著對高能量密度、長壽命電池的需求不斷增加，全固態(tài)電池由于具有較高的安全性和比能量，在電動交通等應用中具有很強的競爭力。基于硫正極和鋰負極的全固態(tài)鋰硫電池具有高比能量，且其適中的電位不會導致固態(tài)電解質(zhì)過度副反應，充電時不會釋氧，因此具有更高的本征安全性。然而，全固態(tài)鋰硫電池中的固固硫轉(zhuǎn)換反應，只能在固態(tài)電解質(zhì)、活性材料和碳之間的三相邊界發(fā)生，因此反應動力學緩慢，導致電池的速率性能和循環(huán)壽命較差(圖1)。

圖1. 傳統(tǒng)全固態(tài)鋰硫電池的問題及本研究的快速固固硫轉(zhuǎn)化反應機制。

　　為了解決這一挑戰(zhàn)，龐全全團隊設(shè)計合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI電解質(zhì)材料(Li2S?B2S3?P2S5?LiI)，該類電解質(zhì)用于鋰硫電池中，不僅作為硫正極內(nèi)部的超離子導體，而且本身含有氧化還原反應速度超快的碘(I--I2/I3-)，對硫的固固轉(zhuǎn)化反應起到氧化還原介導的作用(solid state redox mediating)，從而激活原本難以進行的SE|Li?S兩相界面反應，顯著增加了活性位點的密度，實現(xiàn)快速固固硫反應動力學 (圖1)。團隊利用飛行時間二次離子質(zhì)譜研究了電池中碘的氧化還原現(xiàn)象，證明了隨著電池的充電，正極內(nèi)部I?和I??物種顯著增加，即氧化產(chǎn)物為I?和I??。在放電后，與充電狀態(tài)相比，I?和I??物種的數(shù)量減少，表明可逆的碘氧化還原行為。

　　基于這種氧化還原介導策略，全固態(tài)鋰硫電池表現(xiàn)出超快的充電能力。電池在2C倍率下釋放出1497 mAh g?1的高比容量(以硫質(zhì)量計算，下同);即使以20 C超高倍率充電時，其容量仍可達到784 mA h g?1。此外，原型電池在25 °C下，以5C倍率循環(huán)25000次后，仍具有80.2%的初始容量，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究成果對于全固態(tài)鋰硫電池的技術(shù)發(fā)展具有重要的理論指導意義，將極大地推動新體系動力電池的研究進展。

圖2. 基于LBPSI電解質(zhì)的全固態(tài)鋰硫電池的常溫循環(huán)性能。

　　論文信息：

　　該工作第一作者為北京大學博士后宋慧敏，通訊作者為北京大學研究員龐全全，合作單位包括德國Justus Liebig University和Karlsruhe Institute of Technology (KIT)。該工作得到中華人民共和國科學技術(shù)部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委的資助。