中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：以無機(jī)固體電解質(zhì)替代有機(jī)液體電解液的全固態(tài)鋰電池，在解決傳統(tǒng)鋰離子電池安全性問題的同時(shí)，有望進(jìn)一步提升電池的能量密度和循環(huán)壽命，符合未來大容量鋰二次電池發(fā)展的方向。
然而，基于硫化物電解質(zhì)的固態(tài)電池，因金屬鋰與電解質(zhì)的兼容性較差使得金屬鋰無法作為負(fù)極使用，導(dǎo)致固態(tài)電池的能量密度難以有效提升。為了解決以上問題，寧波材料所固態(tài)鋰電池團(tuán)隊(duì)姚霞銀副研究員領(lǐng)導(dǎo)的小組設(shè)計(jì)了一種新型的固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，以高鋰離子電導(dǎo)率的Li10GeP2S12和對(duì)金屬鋰穩(wěn)定的Li7P3S11構(gòu)建雙電解質(zhì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰負(fù)極在固態(tài)電池中應(yīng)用，如圖1所示。此外，為了避免氧化物正極與硫化物電解質(zhì)因空間電荷層效應(yīng)導(dǎo)致的高界面阻抗，首次在全固態(tài)鋰電池中采用納米結(jié)構(gòu)的多元金屬硫化物Cu2ZnSnS4作為正極活性材料，顯著抑制了正極/硫化物電解質(zhì)界面阻抗；同時(shí)復(fù)合石墨烯構(gòu)建電子通道，有效提高其循環(huán)穩(wěn)定性，并顯示出優(yōu)異的倍率性能，在100和1000mA/g電流密度下循環(huán)100和300圈仍可分別保持高達(dá)544.6和233.9mAh/g的放電比容量。相關(guān)工作發(fā)表于Energy Storage Mater.，2016, 4, 59-65。
圖1 基于金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖以及電池性能
基于上述全固態(tài)鋰電池的結(jié)構(gòu)，為應(yīng)對(duì)因電極與固體電解質(zhì)之間固-固界面有效接觸弱以及離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低等方面挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院物理所、美國馬里蘭大學(xué)合作，從正極層設(shè)計(jì)出發(fā)，選擇與硫化物電解質(zhì)相容性好的過渡金屬硫化物作為正極活性物質(zhì)，并在其表面原位生長納米尺度硫化物電解質(zhì)，有效提升固-固界面接觸，大大提高了鋰離子在固體中的傳輸動(dòng)力學(xué)，使得全固態(tài)鋰電池性能獲得顯著提升。圖2為所制備的硫化鈷/Li7P3S11電解質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖，基于該復(fù)合材料的全固態(tài)鋰電池在0.13mA/cm2的電流密度下，能量密度可達(dá)360Wh/kg，約是使用鈷酸鋰正極的全固態(tài)電池能量密度的兩倍；同時(shí)顯示出高的功率密度，在12.73mA/cm2的電流密度下，其功率密度高達(dá)3823W/kg。此外，在1.27mA/cm2的電流密度下循環(huán)1000圈，放電容量為421mAh/g。相關(guān)工作發(fā)表于Nano Lett.，2016, 16, 7148-7154。
圖2 硫化鈷/Li7P3S11電解質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖及電池性能
上述研究工作得到了中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA09010201）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃，2013AA050906）、國家自然科學(xué)基金（51202265，51502317）等項(xiàng)目的支持。
