【儀表網 研發快訊】硫化物全固態電池具有高能量密度、快速充放電、低溫性能優異以及高安全性、長壽命等優點，解決了液態鋰電池能量密度低、易燃易爆等一系列問題，展現了其在電動汽車和其他領域的應用潛力，成為一項顛覆性的世界前沿科技。青島能源所先進儲能材料與技術研究組立足于產業需求，深耕硫化物全固態電池研發多年，近期開發出基于硫化鋰正極的高比能長循環全固態鋰硫電池，該電池的能量密度超過600 Wh/kg。與商業化的鋰離子電池相比，其能量密度高出1倍有余。并且，因不使用稀有金屬，徹底解決了鋰電正極材料的高成本難題。該硫化鋰正極顯示出1165.23 mAh g-1的高比容量，接近理論值1167 mAh g-1，并且在常溫下循環6200次后，其容量仍可保持84.4%。搭配商業化的Si-C負極組裝全電池后，常溫下循環400次放電比容量仍保持初始容量的97%以上。這些重要發現表明硫化物全固態電池具有一定的商業價值及廣泛的市場前景。
 

　　全固態鋰硫電池能從根本上解決液態鋰硫電池的“穿梭”效應，同時兼具高能量密度和長循環，極具市場前景。與硫正極相比，硫化鋰正極在循環穩定性、與負極的兼容性等方面更具優勢。研究組針對硫化鋰正極全固態電池存在的導電性差和動力學緩慢的問題，提出了利用Cu+、I-離子共摻雜策略來提高硫化鋰正極的導電性及反應活性。密度泛函理論(DFT)計算表明，Cu+、I-雙離子共摻雜能夠顯著降低鋰離子擴散能壘，促進鋰離子擴散，從而提高雙摻雜Li2S電池的電化學性能。XRD、SEM、Raman光譜、原位XPS等表征手段證明，Cu+和I-分別取代了Li2S中Li位點和S位點，進入硫化鋰正極的晶格中形成了固溶體結構；Cu+作為氧化還原介質能夠大大改善反應動力學，形成了鋰離子傳輸的“高速通路”；I-摻雜能顯著提高材料的電化學性能；測試結果表明，同常規硫化鋰正極相比，雙摻雜硫化鋰正極的鋰離子擴散系數提高了5個數量級，電子電導率提高了2個數量級，從本征上解決了硫化鋰正極的絕緣性問題。Cu+、I-雙摻雜的協同作用共同提高了硫化鋰正極的導電性及反應活性，顯著提高了電池的容量、倍率及循環性能。在室溫條件下，改性的硫化鋰正極在0.02 C時顯示出的高放電比容量是原始Li2S放電比容量的6.65倍。雙摻雜硫化鋰正極在0.2 C倍率下循環500次容量不衰減，在2 C高倍率下循環6200次后仍具有較高的容量保持率，顯示出優異的循環穩定性。此外，與無鋰負極(Si-C負極)組裝全電池后，常溫下0.05 C放電比容量高達1082.7 mAh g-1，0.5 C循環400次亦具有良好的容量保持率，這項工作為高能量密度全固態電池的開發提供了新方法和新思路。
 

圖1 雙摻雜硫化鋰正極全固態電池的性能
 

　　論文第一作者為助理研究員高靜，通訊作者為武建飛研究員和高靜。上述工作獲得了國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源實驗室合作項目、中國博士后科學基金、山東省自然科學基金等的支持。(文/圖 趙富華 )