科學前沿3：高能量密度鋰電池新策略：全電化學活性全固態鋰電池

　　高能量密度是儲能器件未來的重要發展方向，鋰離子電池作為一類性能優異的儲能器件在過去的幾十年中大放異彩。然而，目前傳統鋰離子電池正極材料的能量密度已經逼近理論值，如何進一步提升能量密度成為了全世界范圍關注的研究熱點。

　　全固態金屬鋰電池作為下一代高能量密度主流技術方案受到研究人員廣泛關注。理論上電池器件的能量密度在材料層面由其理論能量密度決定，但是在電極層面由于需要引入大量非活性成分（電解質，導電添加劑和粘合劑）用于保障電極材料離子和電子輸運能力從而使得電極材料層面的能量密度通常小于材料理論能量密度，在全固態電極中二者差距進一步擴大。因此如何在電極層面上充分發揮材料的理論能量密度被視為一個重要的研究方向。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E01組博士生李美瑩在陳立泉院士和索鎏敏特聘研究員指導下與美國麻省理工大學李巨教授合作，首次提出采用全電化學活性電極構建全固態電池的新思路。通過采用高電子-離子混合導電活性物質作為正極實現100%全活性物質全固態電極，與金屬鋰負極搭配，構建出高能量密度全活性物質全固態電池，在該類新型全固體金屬鋰電池中材料層面的能量密度可以在電極層面得到了100%發揮。

　　圖1. 全電化學活性電極的概念: a.商用鋰離子液體電池 (正極：74.6~83.6wt%；負極：石墨)。b.常規ASSLBs (正極：80wt%；負極:鋰金屬)。c.全電化學活性電極（AEA，正極：100wt%；負極:金屬鋰）。d和e：各種組分的重量和體積百分比的總表。

　　圖2. AEA-ASSLBs的概念驗證: a. AEA電極與一些傳統電池材料電子導電性對比。b.通過恒電位間歇滴定技術（PITT）獲得AEA材料的鋰離子擴散系數，并與現有的傳統電池材料對比。c、d和e. 它們在0.1C/70℃下的循環穩定性。

　　圖3. 基于LixMo6S8的AEA電極的電化學機理: a.LixMo6S8的鋰離子擴散系數和帶隙 (x = 0, 1, 3, 4)。b. AEA Mo6S8電極孔隙率與施加壓力的函數關系。紅色圓圈代表帶壓力的值測試，藍色圓圈代表釋放壓力的值測試。c. 左圖為LixMo6S8型AEA電極原位XRD分析。中圖為不同階段的歸一化峰強度，并伴隨充放電曲線(右圖)的相變過程。

　　圖4. 復合S-LMS-AEA正極(32.5%S8-67.5%Mo6S8)的結構和電化學機理。a. TEM圖像。 b. AEA電極的橫截面SEM。 c. P和S元素的EDS分析。黑色標尺為20是50 μm，白色標尺為50 μm。d和e: S-LMS-AEA電極與典型的S-C-LGPS陰極的電子電導率、理論體積能量密度和孔隙率比較。f. S-LMS-AEA電極的電化學氧化還原機理。

　　圖5. 高能量密度全活性固態電池策略。a-c：采用S-LMS (32.5%S8-67.5%Mo6S8)與Li、LTO-LMS (40%Li4Ti5O12-60%Mo6S8)與Li、S-LMS與Li-in合金構筑的全固態電池充放電特性曲線。d.采用S-LMS陰極的AEA電池的循環穩定性。

　　全電化學活性全固態電池概念最先在一系列具有電化學活性的高離子-電子過渡金屬硫化物材料中實現，并通過與高容量硫正極復合，在電極層面上實現了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度（商用鈷酸鋰電極層面上的能量密度為480 Wh/kg和1600Wh/L）。預計未來隨著更多新型全活性固態電極發現，有望進一步提升全固態電池能量密度，從而最終實現高能量密度高安全的全固態鋰電池。

　　該研究結果近日發表在《Advanced Materials》上，題為：Dense all-electrochem-active electrodes for all-solid-state lithium batteries，Meiying Li, Tao Liu, Zhe Shi, Weijiang Xue, Yong-sheng Hu, Hong Li, Xuejie Huang, Ju Li,* Liumin Suo,* and Liquan Chen，2021

　　該項研究工作得到了懷柔清潔能源材料測試診斷與研發平臺的支持。

　　文章鏈接:

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202008723

　　編輯：觀山不易、yrLewis

發布時間：2021-06-15 03:26:02 來源：頭條網