1月16日，相關(guān)研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

龐全全稱(chēng)，新材料與新機(jī)制對(duì)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(shù)帶來(lái)新契機(jī)，將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，全球?qū)Ω吣芰棵芏?、長(zhǎng)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(dòng)交通等應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)，及電池充電時(shí)不會(huì)發(fā)生釋氧現(xiàn)象，具有更高安全性，能夠滿(mǎn)足未來(lái)動(dòng)力電池市場(chǎng)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(lèi)電池實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的全固態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)，是全球科學(xué)家共同面臨的難題。

為了解決這一挑戰(zhàn)，龐全全團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了系列新型玻璃相硫化物L(fēng)BPSI電解質(zhì)材料(Li2S?B2S3?P2S5?LiI)，該類(lèi)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(dǎo)體，而且本身含有氧化還原反應(yīng)速度超快的碘(I--I2/I3-)，對(duì)硫的固固轉(zhuǎn)化反應(yīng)起到氧化還原介導(dǎo)的作用(solid state redox mediating)，從而激活原本難以進(jìn)行的SE|Li?S兩相界面反應(yīng)，顯著增加了活性位點(diǎn)的密度，實(shí)現(xiàn)快速固固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

團(tuán)隊(duì)利用飛行時(shí)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(dǎo)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(jì)算，下同);即使以20 C超高倍率充電時(shí)，其容量仍可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)研究的突破在于，所開(kāi)發(fā)的新型電解質(zhì)被賦予了除了導(dǎo)離子本身之外的新功能，通過(guò)電解質(zhì)的化學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們團(tuán)隊(duì)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(jìn)行的兩相界面反應(yīng)，從底層實(shí)現(xiàn)快速固固硫反應(yīng)。”

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(yīng)，通過(guò)材料和化學(xué)機(jī)制設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化成了一種反而有益于氧化還原的介導(dǎo)反應(yīng)。這就好比未來(lái)的智能化自動(dòng)駕駛汽車(chē)，在實(shí)現(xiàn)代步基本功能前提下，既省去了長(zhǎng)途駕駛的舟車(chē)勞頓，還能在車(chē)內(nèi)休息。”

“這也使得電池在快充性能上實(shí)現(xiàn)突破，相對(duì)于現(xiàn)有鋰離子電池小時(shí)級(jí)別充電能力與千次循環(huán)壽命，全固態(tài)鋰硫電池有望實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)快充及萬(wàn)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(jī)制，對(duì)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(shù)帶來(lái)新發(fā)展契機(jī)。