【儀表網 研發快訊】硫化物全固態電池是世界前沿技術，因其能夠顛覆性地解決傳統有機電解液電池易燃、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技術。目前商業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略需求，尤其是在新能源電動汽車、無人機等能量密度需求更高的應用領域。開發高安全性、高比能、長循環的的全固態電池是突破目前商業化鋰電池瓶頸的最佳方案之一。研究表明采用硫化物固態電解質，硫化鋰作為正極可將能量密度提升至液態鋰電的兩倍(超過600 Wh/kg)；未來采用硫正極匹配金屬鋰負極，可實現能量密度進一步提升(高達800 Wh/kg)，是動力電池的未來發展方向。因此，硫化鋰和硫是全固態電池未來正極材料的最優選擇。
 

圖1 動力電池未來發展方向，硫是下一代高比能正極材料的最佳選擇
 

　　全固態電池采用硫或者硫化物作為正極材料，能量密度遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰、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。目前在全固態電池硫化物正極的研究中，正極/電解質界面仍然存在重大挑戰。由于S和Li2S的轉化為相變過程，反應電化學活性低，導致比容量難以提升。此外反應過程中的體積變化會引起界面接觸阻抗的增大，造成循環容量的衰減和較差的倍率性能。青島能源所先進儲能材料與技術研究組深耕硫化物全固態電池領域，經過長期探索研究，制備了S@P-CNT復合正極。與CNTs相比，P-CNTs具有更大的比表面積和更多的含氧基團，增強了S@P-CNTs與Li6PS5Cl SE之間的界面接觸和穩定性。此外，P-CNTs可以在復合陰極中形成3D導電網絡，促進電子的遷移和離子的擴散，同時提高硫的利用率。由此獲得了長循環、高比能全固態鋰硫電池，展現出1506.3 mAh g-1 的高比容量，經過1400次循環后容量保持率高達70.4%(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 40496−40507)。
 

圖2 S@P-CNT復合正極的結構、形貌及電池性能
 

　　在上述工作的基礎上，采用硫氣相沉積和機械球磨的方法，設計了一種獨特的摻鎳三相界面復合正極，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的轉化，從而提高復合正極的電化學性能。以此為正極的全固態鋰硫電池在0.1 C、60℃條件下放電比容量達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1060.9 mAh g-1，物理限制和化學催化的協同效應提高了全固態鋰硫電池的電化學性能，并實現了室溫下高比容量Li2S的創新突破。這項工作為全固態鋰硫電池的正極結構設計提出了一種新的策略(Journal of Energy Storage 2024, 97, 112829)。
 

圖3 H-Ni-SVD@CNT復合正極的結構、形貌及電池數據
 

　　相關研究成果以“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基金面上項目、山東省自然科學基金、中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金項目、山東省重點研發計劃項目等的文持與資助。( 文/圖 司文燕、趙富華 )