【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】硫化物全固態(tài)電池具有高能量密度、快速充放電、低溫性能優(yōu)異以及高安全性、長壽命等優(yōu)點，解決了液態(tài)鋰電池能量密度低、易燃易爆等一系列問題，展現(xiàn)了其在電動汽車和其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，成為一項顛覆性的世界前沿科技。青島能源所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組立足于產(chǎn)業(yè)需求，深耕硫化物全固態(tài)電池研發(fā)多年，近期開發(fā)出基于硫化鋰正極的高比能長循環(huán)全固態(tài)鋰硫電池，該電池的能量密度超過600 Wh/kg。與商業(yè)化的鋰離子電池相比，其能量密度高出1倍有余。并且，因不使用稀有金屬，徹底解決了鋰電正極材料的高成本難題。該硫化鋰正極顯示出1165.23 mAh g-1的高比容量，接近理論值1167 mAh g-1，并且在常溫下循環(huán)6200次后，其容量仍可保持84.4%。搭配商業(yè)化的Si-C負(fù)極組裝全電池后，常溫下循環(huán)400次放電比容量仍保持初始容量的97%以上。這些重要發(fā)現(xiàn)表明硫化物全固態(tài)電池具有一定的商業(yè)價值及廣泛的市場前景。
 

　　全固態(tài)鋰硫電池能從根本上解決液態(tài)鋰硫電池的“穿梭”效應(yīng)，同時兼具高能量密度和長循環(huán)，極具市場前景。與硫正極相比，硫化鋰正極在循環(huán)穩(wěn)定性、與負(fù)極的兼容性等方面更具優(yōu)勢。研究組針對硫化鋰正極全固態(tài)電池存在的導(dǎo)電性差和動力學(xué)緩慢的問題，提出了利用Cu+、I-離子共摻雜策略來提高硫化鋰正極的導(dǎo)電性及反應(yīng)活性。密度泛函理論(DFT)計算表明，Cu+、I-雙離子共摻雜能夠顯著降低鋰離子擴(kuò)散能壘，促進(jìn)鋰離子擴(kuò)散，從而提高雙摻雜Li2S電池的電化學(xué)性能。XRD、SEM、Raman光譜、原位XPS等表征手段證明，Cu+和I-分別取代了Li2S中Li位點和S位點，進(jìn)入硫化鋰正極的晶格中形成了固溶體結(jié)構(gòu)；Cu+作為氧化還原介質(zhì)能夠大大改善反應(yīng)動力學(xué)，形成了鋰離子傳輸?shù)?ldquo;高速通路”；I-摻雜能顯著提高材料的電化學(xué)性能；測試結(jié)果表明，同常規(guī)硫化鋰正極相比，雙摻雜硫化鋰正極的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)提高了5個數(shù)量級，電子電導(dǎo)率提高了2個數(shù)量級，從本征上解決了硫化鋰正極的絕緣性問題。Cu+、I-雙摻雜的協(xié)同作用共同提高了硫化鋰正極的導(dǎo)電性及反應(yīng)活性，顯著提高了電池的容量、倍率及循環(huán)性能。在室溫條件下，改性的硫化鋰正極在0.02 C時顯示出的高放電比容量是原始Li2S放電比容量的6.65倍。雙摻雜硫化鋰正極在0.2 C倍率下循環(huán)500次容量不衰減，在2 C高倍率下循環(huán)6200次后仍具有較高的容量保持率，顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，與無鋰負(fù)極(Si-C負(fù)極)組裝全電池后，常溫下0.05 C放電比容量高達(dá)1082.7 mAh g-1，0.5 C循環(huán)400次亦具有良好的容量保持率，這項工作為高能量密度全固態(tài)電池的開發(fā)提供了新方法和新思路。
 

圖1 雙摻雜硫化鋰正極全固態(tài)電池的性能
 

　　論文第一作者為助理研究員高靜，通訊作者為武建飛研究員和高靜。上述工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院潔凈能源實驗室合作項目、中國博士后科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等的支持。(文/圖 趙富華 )