【仪表网 研发快讯】硫化物全固态电池是世界前沿技术，因其能够颠覆性地解决传统有机电解液电池易燃、易爆等安全性问题，以及充电速度慢，低温性能差，能量密度低等瓶颈难题，被科学界列入与人工智能，芯片等具有同等重要意义的世界颠覆性科学技术。目前商业化锂离子电池的能量密度正趋近其理论极限(300 Wh/kg)，难以满足国家长期的战略需求，尤其是在新能源电动汽车、无人机等能量密度需求更高的应用领域。开发高安全性、高比能、长循环的的全固态电池是突破目前商业化锂电池瓶颈的最佳方案之一。研究表明采用硫化物固态电解质，硫化锂作为正极可将能量密度提升至液态锂电的两倍(超过600 Wh/kg)；未来采用硫正极匹配金属锂负极，可实现能量密度进一步提升(高达800 Wh/kg)，是动力电池的未来发展方向。因此，硫化锂和硫是全固态电池未来正极材料的最优选择。
图1 动力电池未来发展方向，硫是下一代高比能正极材料的最佳选择
全固态电池采用硫或者硫化物作为正极材料，能量密度远高于商业上广泛应用的钴酸锂、三元等正极材料，且不含有钴等贵重稀有金属元素，成本更低，极具市场前景。目前在全固态电池硫化物正极的研究中，正极/电解质界面仍然存在重大挑战。由于S和Li2S的转化为相变过程，反应电化学活性低，导致比容量难以提升。此外反应过程中的体积变化会引起界面接触阻抗的增大，造成循环容量的衰减和较差的倍率性能。青岛能源所先进储能材料与技术研究组深耕硫化物全固态电池领域，经过长期探索研究，制备了S@P-CNT复合正极。与CNTs相比，P-CNTs具有更大的比表面积和更多的含氧基团，增强了S@P-CNTs与Li6PS5Cl SE之间的界面接触和稳定性。此外，P-CNTs可以在复合阴极中形成3D导电网络，促进电子的迁移和离子的扩散，同时提高硫的利用率。由此获得了长循环、高比能全固态锂硫电池，展现出1506.3 mAh g-1 的高比容量，经过1400次循环后容量保持率高达70.4%(ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 40496−40507)。
图2 S@P-CNT复合正极的结构、形貌及电池性能
在上述工作的基础上，采用硫气相沉积和机械球磨的方法，设计了一种独特的掺镍三相界面复合正极，碳纳米管的物理限制缓解了硫在充放电过程中的体积膨胀，Ni的微量掺杂有利于催化硫与Li2S的转化，从而提高复合正极的电化学性能。以此为正极的全固态锂硫电池在0.1 C、60℃条件下放电比容量达1519.3 mAh g-1，接近理论比容量。在室温下，放电比容量依然高达1060.9 mAh g-1，物理限制和化学催化的协同效应提高了全固态锂硫电池的电化学性能，并实现了室温下高比容量Li2S的创新突破。这项工作为全固态锂硫电池的正极结构设计提出了一种新的策略(Journal of Energy Storage 2024, 97, 112829)。
图3 H-Ni-SVD@CNT复合正极的结构、形貌及电池数据
相关研究成果以“Nickel-doped CNTs composite as cathode by sulfur vapor deposition for high-performance all-solid-state lithium‑sulfur batteries”为题发表于Journal of Energy Storage。
论文第一作者为司文燕博士，通讯作者为武建飞研究员、孙晓林高级工程师。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金项目、山东省重点研发计划项目等的文持与资助。( 文/图 司文燕、赵富华 )
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