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新材料助力全固态锂硫电池实现商业化应用

2024-08-15 14:11:38 来源：资源循环研究院

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简介：近日，某先进储能材料与技术研究组开发出一种高容量硫化物复合正极材料，其比容量是当前三元正极的5倍以上。这一成果不仅为全固态锂硫电池的正极结构设计提供了一种新策略，也有助于全固态锂硫电池实现商业化应用。

全固态锂硫电池是一种新型的清洁能源存储技术，具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点。然而，由于其正极材料的容量限制，目前尚未实现大规模商业化应用。因此，开发一种高容量的硫化物复合正极材料对于推动全固态锂硫电池的发展具有重要意义。

近日，某先进储能材料与技术研究组开发出一种高容量硫化物复合正极材料，其比容量是当前三元正极的5倍以上。这一成果不仅为全固态锂硫电池的正极结构设计提供了一种新策略，也有助于全固态锂硫电池实现商业化应用。

硫化物全固态电池是世界前沿技术，有望颠覆性解决传统有机电解液电池易燃、易爆等安全性问题，并突破充电速度慢、低温性能差、能量密度低等瓶颈。研究表明，采用硫化物固态电解质、以硫化锂作为正极，可将电池能量密度提升至液态锂电池的两倍。未来，若采用硫正极匹配金属锂负极，电池能量密度有望进一步提升。硫化锂和硫被视为全固态电池未来正极材料的最优选择。

然而，全固态电池硫化物正极的研究仍然存在挑战。硫和硫化锂的转化为相变过程，反应电化学活性低，导致比容量难以提升。而且，反应过程中的体积变化会引起界面接触阻抗增大，造成循环容量衰减和倍率性能变差。

相关研究人员经过长期研究，采用磷修饰碳纳米管包覆策略制备了硫化物复合正极。经介绍，磷修饰碳纳米管具有更大比表面积和更多含氧基团，增强了硫正极与固体电解质之间的界面接触和稳定性。

“磷修饰碳纳米管可以在复合正极中形成三维导电网络，有效促进电子的迁移和离子的扩散，同时提高硫的利用率。”研究员说，由此制备的全固态锂硫电池，可实现每克1506.3毫安时的高比容量，经过1400次循环后容量保持率高达70.4%。

在此基础上，研究团队采用硫气相沉积和机械球磨的方法，设计了一种独特的掺镍三相界面复合正极，碳纳米管的物理限制缓解了硫在充放电过程中的体积膨胀，镍的微量掺杂有利于催化硫与硫化锂转化，可提高复合正极的电化学性能。以此为正极的全固态锂硫电池在60摄氏度条件下放电比容量达每克1519.3毫安时，接近理论比容量。在室温下，放电比容量依然高达每克1060.9毫安时。物理限制和化学催化的协同效应，提高了全固态锂硫电池的电化学性能，实现了室温下高比容量硫化锂的创新突破。

这一研究成果不仅为全固态锂硫电池的正极结构设计提供了一种新策略，还为实现全固态锂硫电池的商业化应用提供了有力支持。随着新能源汽车、可穿戴设备等领域对能量存储的需求不断增加，全固态锂硫电池有望在未来得到更广泛的应用和发展。