1月16日，相關研究成果在國際學術期刊《自然》上發(fā)表。
龐全全稱，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)鋰硫電池技術帶來新契機，將在多個領域產(chǎn)生深遠影響。
隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，全球?qū)Ω吣芰棵芏取㈤L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，及電池充電時不會發(fā)生釋氧現(xiàn)象，具有更高安全性，能夠滿足未來動力電池市場的要求。
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，如何讓這類電池實現(xiàn)快速且穩(wěn)定的全固態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應，是全球科學家共同面臨的難題。
為了解決這一挑戰(zhàn)，龐全全團隊設計合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI電解質(zhì)材料(Li2S?B2S3?P2S5?LiI)，該類電解質(zhì)用于鋰硫電池中，不僅作為硫正極內(nèi)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(zhuǎn)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行的SE|Li?S兩相界面反應，顯著增加了活性位點的密度，實現(xiàn)快速固固硫反應動力學。
團隊利用飛行時間二次離子質(zhì)譜研究了電池中碘的氧化還原現(xiàn)象，證明了隨著電池的充電，正極內(nèi)部I?和I??物種顯著增加，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(shù)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(xiàn)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，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(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)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，通過電解質(zhì)的化學及結(jié)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(tǒng)電池中難以進行的兩相界面反應，從底層實現(xiàn)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，通過材料和化學機制設計，轉(zhuǎn)化成了一種反而有益于氧化還原的介導反應。這就好比未來的智能化自動駕駛汽車，在實現(xiàn)代步基本功能前提下，既省去了長途駕駛的舟車勞頓，還能在車內(nèi)休息。”
“這也使得電池在快充性能上實現(xiàn)突破，相對于現(xiàn)有鋰離子電池小時級別充電能力與千次循環(huán)壽命，全固態(tài)鋰硫電池有望實現(xiàn)分鐘級快充及萬次循環(huán)充電。”龐全全表示。
該研究所發(fā)現(xiàn)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)鋰硫電池技術帶來新發(fā)展契機。
