青島能源所高比能硫化物全固態鋰硫電池研究獲進展

全固態電池因具有安全性高、穩定性好、能量密度高等優點，開創性的解決了傳統有機電解液電池中存在的壽命短、易燃、易爆等問題，成為一項突破技術。單質硫作為鋰硫電池的正極材料，其理論比容量達到1675 mAh/g，高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰和三元正極材料。因此，將固態電解質引入到鋰硫電池體系中構建全固態鋰硫電池，有望成為新一代高能量密度儲能系統。近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛帶領先進儲能材料與技術研究組，在硫化物基全固態鋰硫電池性能提升及缺陷界面工程方面取得進展。近日，相關研究成果發表ACS applied Materials & Interfaces上。

該團隊提出以粗糙活化碳管作為中間介質，在單質硫S、活化碳管P-CNT和離子導體Li₆PS₅Cl之間構建穩定的三相界面的策略。通過設計缺陷，增加碳管表面活性位點，單質硫均勻包覆在刻蝕后的碳納米管內外表面。通過優化離子輸運和電子傳輸網絡，可提升全固態鋰硫電池中硫正極的反應活性和穩定性。BET、SEM、XPS等表征手段證明，與普通的碳管相比，活化后的碳管擁有更高的比表面積，硫和電解質在其表面分散得更均勻，作用力更強，能形成更好的電子和離子傳輸界面，從而獲得基于S@P-CNT正極的長循環、高比能全固態鋰硫電池。該電池在面載量為1.59 mg cm^-2，電流密度為1.34 mA cm^-2的條件下，展現出1506.3 mAh g^-1 的高比容量，經過1400圈循環后容量保持率仍高達70.4%（圖1）。按材料計算，該全固態鋰硫電池體系能量密度高達600 Wh/kg，未來應用于電動汽車將提升續航里程。

該研究通過密度泛函理論（DFT）第一性原理方法揭示了固態鋰硫電池性能提升的原因（圖1）。活化后的碳管（P-CNT）與Li₂S的吸附作用明顯高于其與商用碳管（CNT）之間的相互作用，說明含有更多含氧官能團和缺陷的P-CNTs與S的相互作用高于普通商用碳管，硫化物可穩定地吸附在載體上，這使得S和P-CNTs之間存在更有效的電荷轉移，利于S到Li₂S的氧化還原反應，這是基于S@P-CNTs正極的全固態鋰硫電池長循環及容量保持率較高的原因之一。此外，鋰離子在P-CNTs和Li₆PS₅Cl界面的遷移勢壘能明顯低于其在CNTs和Li₆PS₅Cl界面的勢壘能，證明經過設計處理后的碳管，更利于鋰離子在界面間遷移，提高了電池的效率和循環穩定性。這種對單質硫基體的碳材料缺陷界面工程設計，為開發全固態鋰硫電池提供了新的思路和途徑。

研究組立足產業需求，致力于豐富硫化物全固態電池解決方案供給，加快硫化物全固態電池制備工藝及規模化生產關鍵技術攻關，實現了硫化物全固態電池中試技術開發。針對硫化物全固態電池研發過程中電解質性能及電池倍率和壽命的幾大關鍵問題，研究組取得了重要突破：研發出多體系多功能性的硫化物固體電解質，最高室溫離子電導率達11 mS/cm，與有機電解液相媲美；具備高倍率和低溫充放電能力，即5℃、3C倍率（20min）充放電容量保持率80%；?-40℃具有良好充放電性能；硫化物全固態軟包電池在25℃、0.5C倍率條件下循環3000次，容量仍能保持82.7%，在國際國內均處于領先水平，初步解決了硫化物全固態電池的壽命問題。研究組正在進行硫化物固體電解質制備以及全固態電池成型生產線落地籌備工作，并與上下游產業方合作，加速技術的研發和驗證過程。

研究工作得到國家自然科學基金面上項目、山東省自然科學基金、中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金項目和山東省重點研發計劃等的支持。

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