1月16日，相關(guān)研究成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
龐全全稱(chēng)，新材料與新機制對拓展全固態(tài)電池性能邊界意義重大，為全固態(tài)鋰硫電池技術(shù)帶來(lái)新契機，將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的快速發(fā)展，全球對高能量密度、長(cháng)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(dòng)交通等應用中具有很強的競爭力。
其中，全固態(tài)鋰硫電池由于其高比能量、較少的電解質(zhì)副反應，及電池充電時(shí)不會(huì )發(fā)生釋氧現象，具有更高安全性，能夠滿(mǎn)足未來(lái)動(dòng)力電池市場(chǎng)的要求。
然而，目前全固態(tài)鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)壽命較差，如何讓這類(lèi)電池實(shí)現快速且穩定的全固態(tài)硫轉化反應，是全球科學(xué)家共同面臨的難題。
為了解決這一挑戰，龐全全團隊設計合成了系列新型玻璃相硫化物L(fēng)BPSI電解質(zhì)材料(Li2S?B2S3?P2S5?LiI)，該類(lèi)電解質(zhì)用于鋰硫電池中，不僅作為硫正極內部的超離子導體，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(jìn)行的SE|Li?S兩相界面反應，顯著(zhù)增加了活性位點(diǎn)的密度，實(shí)現快速固固硫反應動(dòng)力學(xué)。
團隊利用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜研究了電池中碘的氧化還原現象，證明了隨著(zhù)電池的充電，正極內部I?和I??物種顯著(zhù)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(shí)，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，展現出優(yōu)異的循環(huán)穩定性。
龐全全表示，“快充性能和循環(huán)壽命是衡量全固態(tài)電池的重要標準。這項研究的突破在于，所開(kāi)發(fā)的新型電解質(zhì)被賦予了除了導離子本身之外的新功能，通過(guò)電解質(zhì)的化學(xué)及結構設計，我們團隊引入了含有氧化還原活性的碘元素，從而激活了傳統電池中難以進(jìn)行的兩相界面反應，從底層實(shí)現快速固固硫反應。”
龐全全告訴記者，“這將原本大家一直頭疼的電解質(zhì)充電副反應，通過(guò)材料和化學(xué)機制設計，轉化成了一種反而有益于氧化還原的介導反應。這就好比未來(lái)的智能化自動(dòng)駕駛汽車(chē)，在實(shí)現代步基本功能前提下，既省去了長(cháng)途駕駛的舟車(chē)勞頓，還能在車(chē)內休息。”
“這也使得電池在快充性能上實(shí)現突破，相對于現有鋰離子電池小時(shí)級別充電能力與千次循環(huán)壽命，全固態(tài)鋰硫電池有望實(shí)現分鐘級快充及萬(wàn)次循環(huán)充電。”龐全全表示。
該研究所發(fā)現的新材料與新機制，對于拓展全固態(tài)電池的性能邊界具有重要意義，也為全固態(tài)鋰硫電池技術(shù)帶來(lái)新發(fā)展契機。
