【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】硫化物全固態(tài)電池是世界前沿技術(shù)，因其能夠顛覆性地解決傳統(tǒng)有機(jī)電解液電池易燃、易爆等安全性問題，以及充電速度慢，低溫性能差，能量密度低等瓶頸難題，被科學(xué)界列入與人工智能，芯片等具有同等重要意義的世界顛覆性科學(xué)技術(shù)。目前商業(yè)化鋰離子電池的能量密度正趨近其理論極限(300 Wh/kg)，難以滿足國家長期的戰(zhàn)略需求，尤其是在新能源電動汽車、無人機(jī)等能量密度需求更高的應(yīng)用領(lǐng)域。開發(fā)高安全性、高比能、長循環(huán)的的全固態(tài)電池是突破目前商業(yè)化鋰電池瓶頸的最佳方案之一。研究表明采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)，硫化鋰作為正極可將能量密度提升至液態(tài)鋰電的兩倍(超過600 Wh/kg)；未來采用硫正極匹配金屬鋰負(fù)極，可實現(xiàn)能量密度進(jìn)一步提升(高達(dá)800 Wh/kg)，是動力電池的未來發(fā)展方向。因此，硫化鋰和硫是全固態(tài)電池未來正極材料的最優(yōu)選擇。
 

圖1 動力電池未來發(fā)展方向，硫是下一代高比能正極材料的最佳選擇
 

　　全固態(tài)電池采用硫或者硫化物作為正極材料，能量密度遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰、三元等正極材料，且不含有鈷等貴重稀有金屬元素，成本更低，極具市場前景。目前在全固態(tài)電池硫化物正極的研究中，正極/電解質(zhì)界面仍然存在重大挑戰(zhàn)。由于S和Li2S的轉(zhuǎn)化為相變過程，反應(yīng)電化學(xué)活性低，導(dǎo)致比容量難以提升。此外反應(yīng)過程中的體積變化會引起界面接觸阻抗的增大，造成循環(huán)容量的衰減和較差的倍率性能。青島能源所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組深耕硫化物全固態(tài)電池領(lǐng)域，經(jīng)過長期探索研究，制備了S@P-CNT復(fù)合正極。與CNTs相比，P-CNTs具有更大的比表面積和更多的含氧基團(tuán)，增強(qiáng)了S@P-CNTs與Li6PS5Cl SE之間的界面接觸和穩(wěn)定性。此外，P-CNTs可以在復(fù)合陰極中形成3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)電子的遷移和離子的擴(kuò)散，同時提高硫的利用率。由此獲得了長循環(huán)、高比能全固態(tài)鋰硫電池，展現(xiàn)出1506.3 mAh g-1 的高比容量，經(jīng)過1400次循環(huán)后容量保持率高達(dá)70.4%(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 40496−40507)。
 

圖2 S@P-CNT復(fù)合正極的結(jié)構(gòu)、形貌及電池性能
 

　　在上述工作的基礎(chǔ)上，采用硫氣相沉積和機(jī)械球磨的方法，設(shè)計了一種獨(dú)特的摻鎳三相界面復(fù)合正極，碳納米管的物理限制緩解了硫在充放電過程中的體積膨脹，Ni的微量摻雜有利于催化硫與Li2S的轉(zhuǎn)化，從而提高復(fù)合正極的電化學(xué)性能。以此為正極的全固態(tài)鋰硫電池在0.1 C、60℃條件下放電比容量達(dá)1519.3 mAh g-1，接近理論比容量。在室溫下，放電比容量依然高達(dá)1060.9 mAh g-1，物理限制和化學(xué)催化的協(xié)同效應(yīng)提高了全固態(tài)鋰硫電池的電化學(xué)性能，并實現(xiàn)了室溫下高比容量Li2S的創(chuàng)新突破。這項工作為全固態(tài)鋰硫電池的正極結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一種新的策略(Journal of Energy Storage 2024, 97, 112829)。
 

圖3 H-Ni-SVD@CNT復(fù)合正極的結(jié)構(gòu)、形貌及電池數(shù)據(jù)
 

　　相關(guān)研究成果以“Nickel-doped CNTs composite as cathode by sulfur vapor deposition for high-performance all-solid-state lithium?sulfur batteries”為題發(fā)表于Journal of Energy Storage。
 

　　論文第一作者為司文燕博士，通訊作者為武建飛研究員、孫曉林高級工程師。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等的文持與資助。( 文/圖 司文燕、趙富華 )