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、碳達峰”目標的必由之路。當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)用高活性金屬鋰負極使其安全風(fēng)險更加嚴峻。水系電池、固態(tài)鋰離子電池等安全性進步長足,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。
原標題:大連理工大學(xué)科研團隊在高能量、高安全性固態(tài)電池領(lǐng)域取得新突破