北京大学庞全全最新Nature：超快充全固态电池

260 编辑：中冶有色技术网来源：北京大学

2025-01-16 14:49:00

01 【导读】

开发全固态电池在信息技术、移动通信和电动汽车等领域发挥着重要作用，其具有高安全性和比能量。其中，基于层状金属氧化物(LMO)正极的全固态电池具有广泛的吸引力，但LMO在高电位下与固态电解质(SE)的不可逆副生反应以及富镍LMO的化学-机械降解阻碍了其长期稳定性和倍率性能。ASSLSB(全固态锂硫电池)以其高比能量在原则上可以消除一些这些挑战，适中的电位不会导致SEs的显著氧化，也不会在充电时释放活性氧威胁热安全，因此有望实现更高的固有安全性，且使用SEs还可以进一步消除液态电解质基Li–S电池中存在的臭名昭著的多硫化物穿梭现象。然而，ASSLSBs一直受到较差的倍率性能和循环寿命的困扰，元素硫和Li2S的固态-固态-固态反应(SSSRR)非常缓慢。由于这两种活性材料都是电子绝缘体，反应只能在SE|活性材料|碳的三相边界处发生。由于三相边界位点的密度通常远低于两相边界位点的密度，反应在空间上高度受限，挑战了有效的固-固电荷转移。通过引入功能添加剂到正极中，如Cu、LiVS2和改性碳，已经做出了显著努力，但由“全固三相边界”挑战引起的不良动力学问题并未完全解决。此外，使用Li2S作为活性材料可能会给电极制造带来技术挑战。

02 【成果掠影】

在此，北京大学庞全全团队(通讯作者)展示了使用LBPSI玻璃态固态电解质(GSEs)实现的快速SSSRR和高循环稳定性。与使用额外的电子介导剂不同，电解质本身被配制为含有氧化还原活性碘，使其作为表面氧化还原介导剂促进Li2S颗粒的氧化。在充电时，SE表面上的碘阴离子可以在SE|C边界处被电化学氧化为I2和I3⁻(表示为I2/I3-)，随后化学氧化接触中的Li2S。值得注意的是，这种基于SE表面的氧化还原介导过程使得反应可以在SE|Li2S两相边界处发生，否则该边界是不活跃的，但其数量远多于所需的SE|Li2S|C三相边界。配制的电解质倾向于形成玻璃，这使得碘的可逆氧化还原反应得以实现，而不是持续的SE降解。

基于这一机制，ASSLSB展现出超快充电能力，在2C(30℃)充电时硫的比容量高达1497mAh/g，而在20C时仍可保持784mAh/g。值得注意的是，在 60℃的极端条件下，以150C的倍率充电时，硫的比容量可达432mAh/g。此外，该电池在5C(25℃)下循环25000次后，容量保持率为80.2%，展现出卓越的循环稳定性。

相关研究成果以“All-solid-state Li–S batteries with fast solid–solid sulfur reaction”为题发表在Nature上。

03 【核心创新点】

1、作者展示了通过锂硫硼磷酸碘化物(LBPSI)玻璃相固体电解质(GSEs)实现的快速SSSRR。基于I-与I2/I3-之间的可逆氧化还原反应，固体电解质(SE)不仅作为超离子导体，还充当表面氧化还原介质，促进固-固两相边界处的缓慢反应，从而大幅增加活性位点的密度。

2、本文制备的电解质倾向于形成玻璃(而非晶体)，这使得碘的可逆氧化还原反应得以进行，而不是持续的固体电解质(SE)降解。借助这种氧化还原介导策略，展示了具有出色充电能力(在 30℃下可高达 35C)和循环稳定性的全固态锂硫电池(ASSLSBs)。

04 【数据概览】

05 【成果启示】

综上所述，本文通过设计一种本身具有氧化还原活性的电解质来实现在更高倍率下的Li2S氧化，该策略本质上通过促进了SE|Li2S两相边界处的电荷转移，解决了全固态三相边界挑战，实现了快速的SSSRR反应和前所未有的快速充电能力。高S/Li2S转化效率使得电池在超过25000次循环后仍具有出色的循环稳定性。未来的工作应集中在正极结构工程上，以提高密度和面积负载，并将硫正极与高面积容量的负极相匹配，以加快ASSLSBs的发展。总体而言，所提出的策略可能会解锁其他因动力学缓慢和可逆性差而至今难以实现的固态转化化学。

文献链接：“All-solid-state Li–S batteries with fast solid–solid sulfur reaction”(Nature，2024，10.1038/s41586-024-08298-9)

本文由CYM供稿。

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