北大材料学院庞全全课题组在快充高安全全固态锂硫电池领域的重要进展

　　近日，北京大学材料科学与工程学院庞全全研究员课题组在Nature上发表了题为“All-solid-state Li‒S batteries with fast solid‒solid sulfur reaction”的研究论文。他们设计合成了系列具有高离子电导率的玻璃相硫化物电解质材料，并基于该材料研制了全固态锂硫电池，实现了快速固固反应速率和高循环稳定性。该研究为发展高比能高安全的下一代动力电池提供了新的技术方案。
 

　　随着对高能量密度、长寿命电池的需求不断增加，全固态电池由于具有较高的安全性和比能量，在电动交通等应用中具有很强的竞争力。基于硫正极和锂负极的全固态锂硫电池具有高比能量，且其适中的电位不会导致固态电解质过度副反应，充电时不会释氧，因此具有更高的本征安全性。然而，全固态锂硫电池中的固固硫转换反应，只能在固态电解质、活性材料和碳之间的三相边界发生，因此反应动力学缓慢，导致电池的速率性能和循环寿命较差(图1)。
 

图1. 传统全固态锂硫电池的问题及本研究的快速固固硫转化反应机制
 

　　为了解决这一难题，庞全全课题组设计合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI电解质材料(Li2S‒B2S3‒P2S5‒LiI)，该类电解质用于锂硫电池中，不仅作为硫正极内部的超离子导体，而且本身含有氧化还原反应速度超快的碘(I--I2/I3-)，对硫的固固转化反应起到氧化还原介导的作用(solid state redox mediating)，从而激活原本难以进行的SE|Li₂S两相界面反应，显著增加了活性位点的密度，实现快速固固硫反应动力学 (图1)。研究人员利用飞行时间二次离子质谱研究了电池中碘的氧化还原现象，证明了随着电池的充电，正极内部I₂和I₃⁻物种显著增加，即氧化产物为I₂和I₃⁻。在放电后，与充电状态相比，I₂和I₃⁻物种的数量减少，表明可逆的碘氧化还原行为。
 

　　基于这种氧化还原介导策略，全固态锂硫电池表现出超快的充电能力。电池在2C倍率下释放出1497mAhg⁻¹的高比容量(以硫质量计算，下同)；即使以20C超高倍率充电时，其容量仍可达到784mAhg⁻¹。此外，原型电池在25°C下，以5C倍率循环25,000次后，仍具有80.2%的初始容量，展现出优异的循环稳定性。该研究成果对于全固态锂硫电池的技术发展具有重要的理论指导意义，将极大地推动新体系动力电池的研究进展。
 

图2. 基于LBPSI电解质的全固态锂硫电池的常温循环性能
 

　　该工作第一作者为北京大学博士后宋慧敏，通讯作者为庞全全，合作单位包括德国Justus Liebig University和Karlsruhe Institute of Technology (KIT)。该工作得到中华人民共和国科学技术部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委的资助。