青岛能源所硫化物全固态电池高容量正极材料取得进展
大众日报2024-09-03 21:25
中国科学院青岛生物能源与过程研究所武建飞研究员带领的先进储能材料与技术研究组在硫化物全固态电池领域取得进展。该研究组研发的用于全固态锂硫电池的新型硫化锂正极材料，能量密度超过600 瓦时每千克。与目前已商业化的锂离子电池相比，其能量密度高出1倍有余；而且，由于不使用稀有金属，成本更低。
该硫化锂正极材料显示出每克1165.23 毫安时的高比容量，接近理论值每克1167 毫安时，并且在常温下循环6200次后，其容量仍可保持84.4%。搭配商业化的硅碳负极组装全电池后﹐常温下循环400次放电比容量仍保持初始容量的97%以上。
该材料可有效解决液态锂硫电池“穿梭效应”等问题，（该效应指的是锂硫电池中的一个重要现象，即在充放电过程中，溶解在电解液中的硫化锂在正负极之间来回迁移的现象）同时保持了高能量密度和长循环寿命，具有用于电动汽车行业的市场潜力。
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。本研究成果中的重要发现表明，硫化物全固态电池具有极高的商业价值及广泛的市场前景。相关研究成果发表于国际学术期刊Small。
研究团队利用铜离子、碘离子共掺杂策略来提高硫化锂正极的导电性及反应活性。密度泛函理论计算表明，铜、碘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，从而提高双掺杂硫化锂电池的电化学性能。通过一系列表征手段证明，铜离子和碘离子分别取代了硫化锂中锂位点和硫位点，进入硫化锂正极的晶格中形成了固溶体结构；铜离子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”；碘离子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。
铜、碘离子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，这种改性的硫化锂正极在低倍率下放电容量是原始材料的6.65倍。即使在高倍率下充放电，电池的容量也能保持得很好，显示出了优异的循环稳定性。
这项研究为开发高能量密度的全固态电池提供了新的方法和思路。
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