中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：硫化物全固態(tài)電池是世界前沿技術(shù)，因其能夠顛覆性地解決傳統(tǒng)有機(jī)電解液電池易燃、易爆等安全性問(wèn)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(xué)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(xué)技術(shù)。目前商業(yè)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(guó)家長(zhǎng)期的戰(zhàn)略需求，尤其是在新能源電動(dòng)汽車、無(wú)人機(jī)等能量密度需求更高的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)高安全性、高比能、長(zhǎng)循環(huán)的的全固態(tài)電池是突破目前商業(yè)化鋰電池瓶頸的最佳方案之一。研究表明采用硫化物固態(tài)電解質(zhì)，硫化鋰作為正極可將能量密度提升至液態(tài)鋰電的兩倍（超過(guò)600 Wh/kg）；未來(lái)采用硫正極匹配金屬鋰負(fù)極，可實(shí)現(xiàn)能量密度進(jìn)一步提升（高達(dá)800 Wh/kg），是動(dòng)力電池的未來(lái)發(fā)展方向。因此，硫化鋰和硫是全固態(tài)電池未來(lái)正極材料的最優(yōu)選擇。
圖1 動(dòng)力電池未來(lái)發(fā)展方向，硫是下一代高比能正極材料的最佳選擇
全固態(tài)電池采用硫或者硫化物作為正極材料，能量密度遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)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(chǎng)前景。目前在全固態(tài)電池硫化物正極的研究中，正極/電解質(zhì)界面仍然存在重大挑戰(zhàn)。由于S和Li2S的轉(zhuǎn)化為相變過(guò)程，反應(yīng)電化學(xué)活性低，導(dǎo)致比容量難以提升。此外反應(yīng)過(guò)程中的體積變化會(huì)引起界面接觸阻抗的增大，造成循環(huán)容量的衰減和較差的倍率性能。青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組深耕硫化物全固態(tài)電池領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索研究，制備了S@P-CNT復(fù)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(tuán)，增強(qiáng)了S@P-CNTs與Li6PS5Cl SE之間的界面接觸和穩(wěn)定性。此外，P-CNTs可以在復(fù)合陰極中形成3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)電子的遷移和離子的擴(kuò)散，同時(shí)提高硫的利用率。由此（ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 40496?40507）獲得了長(zhǎng)循環(huán)、高比能全固態(tài)鋰硫電池，展現(xiàn)出1506.3 mAh g?1?的高比容量，經(jīng)過(guò)1400次循環(huán)后容量保持率高達(dá)70.4% （ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 40496?40507）。
圖2 S@P-CNT復(fù)合正極的結(jié)構(gòu)、形貌及電池性能
在上述工作的基礎(chǔ)上，采用硫氣相沉積和機(jī)械球磨的方法，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的摻鎳三相界面復(fù)合正極，碳納米管的物理限制緩解了硫在充放電過(guò)程中的體積膨脹，Ni的微量摻雜有利于催化硫與Li2S的轉(zhuǎn)化，從而提高復(fù)合正極的電化學(xué)性能。以此為正極的全固態(tài)鋰硫電池在0.1 C、60℃條件下放電比容量達(dá)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(dá)1060.9 mAh g?1，物理限制和化學(xué)催化的協(xié)同效應(yīng)提高了全固態(tài)鋰硫電池的電化學(xué)性能，并實(shí)現(xiàn)了室溫下高比容量Li2S的創(chuàng)新突破。這項(xiàng)工作為全固態(tài)鋰硫電池的正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一種新的策略（Journal of Energy Storage 2024, 97, 112829）。
圖3 H-Ni-SVD@CNT復(fù)合正極的結(jié)構(gòu)、形貌及電池?cái)?shù)據(jù)
相關(guān)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(fā)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(jí)工程師。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的文持與資助。
