【仪表网 研发快讯】硫化物全固态电池具有高能量密度、快速充放电、低温性能优异以及高安全性、长寿命等优点，解决了液态锂电池能量密度低、易燃易爆等一系列问题，展现了其在电动汽车和其他领域的应用潜力，成为一项颠覆性的世界前沿科技。青岛能源所先进储能材料与技术研究组立足于产业需求，深耕硫化物全固态电池研发多年，近期开发出基于硫化锂正极的高比能长循环全固态锂硫电池，该电池的能量密度超过600 Wh/kg。与商业化的锂离子电池相比，其能量密度高出1倍有余。并且，因不使用稀有金属，彻底解决了锂电正极材料的高成本难题。该硫化锂正极显示出1165.23 mAh g-1的高比容量，接近理论值1167 mAh g-1，并且在常温下循环6200次后，其容量仍可保持84.4%。搭配商业化的Si-C负极组装全电池后，常温下循环400次放电比容量仍保持初始容量的97%以上。这些重要发现表明硫化物全固态电池具有一定的商业价值及广泛的市场前景。
全固态锂硫电池能从根本上解决液态锂硫电池的“穿梭”效应，同时兼具高能量密度和长循环，极具市场前景。与硫正极相比，硫化锂正极在循环稳定性、与负极的兼容性等方面更具优势。研究组针对硫化锂正极全固态电池存在的导电性差和动力学缓慢的问题，提出了利用Cu+、I-离子共掺杂策略来提高硫化锂正极的导电性及反应活性。密度泛函理论(DFT)计算表明，Cu+、I-双离子共掺杂能够显著降低锂离子扩散能垒，促进锂离子扩散，从而提高双掺杂Li2S电池的电化学性能。XRD、SEM、Raman光谱、原位XPS等表征手段证明，Cu+和I-分别取代了Li2S中Li位点和S位点，进入硫化锂正极的晶格中形成了固溶体结构；Cu+作为氧化还原介质能够大大改善反应动力学，形成了锂离子传输的“高速通路”；I-掺杂能显著提高材料的电化学性能；测试结果表明，同常规硫化锂正极相比，双掺杂硫化锂正极的锂离子扩散系数提高了5个数量级，电子电导率提高了2个数量级，从本征上解决了硫化锂正极的绝缘性问题。Cu+、I-双掺杂的协同作用共同提高了硫化锂正极的导电性及反应活性，显著提高了电池的容量、倍率及循环性能。在室温条件下，改性的硫化锂正极在0.02 C时显示出的高放电比容量是原始Li2S放电比容量的6.65倍。双掺杂硫化锂正极在0.2 C倍率下循环500次容量不衰减，在2 C高倍率下循环6200次后仍具有较高的容量保持率，显示出优异的循环稳定性。此外，与无锂负极(Si-C负极)组装全电池后，常温下0.05 C放电比容量高达1082.7 mAh g-1，0.5 C循环400次亦具有良好的容量保持率，这项工作为高能量密度全固态电池的开发提供了新方法和新思路。
图1 双掺杂硫化锂正极全固态电池的性能
论文第一作者为助理研究员高静，通讯作者为武建飞研究员和高静。上述工作获得了国家自然科学基金、中国科学院洁净能源实验室合作项目、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金等的支持。(文/图 赵富华 )
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