近期，Science子刊《Science Advances》以“A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety”為題刊載大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室、化工學(xué)院研究進(jìn)展，報道了一類兼具高能量和高安全性的新型全固態(tài)可充電鋰電池。文章第一作者為精細(xì)化工國家重點實驗室、化工學(xué)院博士研究生劉鈺昭，通訊作者為精細(xì)化工國家重點實驗室、化工學(xué)院王治宇、邱介山教授。

 

發(fā)展高性能電池技術(shù)是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的必由之路。當(dāng)前廣泛使用的鋰離子電池不僅能量密度難如人意，三元正極與易燃電解液的副反應(yīng)更使其安全性雪上加霜，嚴(yán)重威脅了鋰電池生產(chǎn)、存儲、應(yīng)用、回收整個產(chǎn)業(yè)鏈。近年興起的金屬鋰電池在實現(xiàn)500 Wh kg-1高比能電池目標(biāo)方面極具潛力，但在易燃有機電解液中應(yīng)用高活性金屬鋰負(fù)極使其安全風(fēng)險更加嚴(yán)峻。水系電池、固態(tài)鋰離子電池等安全性進(jìn)步長足，但水系電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定性差、高容量正極匱乏等問題極大限制了此類電池的能量密度。

 

 

針對現(xiàn)有電池技術(shù)安全性與能量密度“魚與熊掌不能兼得”的瓶頸，王治宇、邱介山教授將硫化鋰正極與硅負(fù)極之間本質(zhì)安全的多電子氧化還原反應(yīng)與高可靠性的固態(tài)電池設(shè)計融合，發(fā)展了一類比能量520 Wh kg-1以上、兼具高安全性的全固態(tài)鋰二次電池新體系。基于這一電池化學(xué)的軟包電池在過熱、內(nèi)/外短路、機械損傷、過充及水/氧侵蝕等極端條件下仍可正常充放電；500小時無自放電，并可在-20至80oC的寬溫區(qū)內(nèi)工作，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。聯(lián)用原位X射線衍射、原位紫外-可見光譜、原位阻抗等先進(jìn)譜學(xué)手段揭示了聚合物固態(tài)電解質(zhì)中的多硫化物介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)機制與多硫化物穿梭抑制效應(yīng)，發(fā)展了利用多級納米反應(yīng)器增強固態(tài)電解質(zhì)中硫化鋰正極反應(yīng)活性、提升硅負(fù)極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的高效策略。此項工作為跨越現(xiàn)有電池技術(shù)安全性與能量密度之間的巨大鴻溝，發(fā)展高能量、高安全性、高環(huán)境適應(yīng)性的“三高”電池技術(shù)開辟了新的方向，在載人交通工具、空間技術(shù)、植入醫(yī)療、軍事國防等對儲能技術(shù)安全性、可靠性需求突出的領(lǐng)域尤具應(yīng)用前景。

 

 

圖2. 基于硫化鋰正極與硅負(fù)極的全固態(tài)軟包電池安全性評價：（A）過熱、（B,C）內(nèi)、外部短路、（D,E）過充、（F,G）空氣中穿刺剪切后充放電、（H,I）剪切浸水后充放電。

 

此項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金會、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學(xué)的共同資助支持。