青島能源所開發均質化正極材料實現全固態鋰電池新突破
【化工儀器網 項目成果】全固態鋰電池是一種使用固體電極材料和固體電解質材料，不含有任何液體的鋰電池。它主要包括全固態鋰離子電池和全固態金屬鋰電池，主要區別在于負極是否含有金屬鋰。全固態鋰電池具有能量密度高、循環壽命長、安全性高等優勢，可以滿足對高安全性儲能系統日益增長的需求。然而，全固態鋰電池通常采用復合電極，不同組分之間在化學、電化學和力學等性能上難以完美匹配從而誘發多種界面問題，嚴重惡化電池能量密度和使用壽命。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所科研團隊在全固態鋰電池領域取得新的突破，開創性設計出均質化正極材料，顛覆了全固態鋰電池復合正極的范式，解決了上述難題，在實驗中制備出兼具高能量密度和長循環壽命的全固態鋰電池。這一成果有望讓電子設備小型化、長續航的夢想成為現實。
研究團隊通過調控LiTi2(PS4)3的電導率和充放電容量，成功合成出兼具高離子電導率(0.2 mS cm−1)、高電子電導率(225 mS cm−1)和高放電比容量(250 mA h g−1)的Li1.75Ti2(Ge0.25P0.75S3.8Se0.2)3。該材料的離子和電子電導率高于傳統層狀氧化物正極材料1000倍以上，比容量超過目前的高鎳正極材料。同時，該材料在充放電過程中僅發生1.2%的體積形變，低于傳統層狀氧化物正極材料的50%。高的電導率可確保正極在不添加導電助劑的情況下正常充放電，低的體積形變保證了電池在充放電過程中結構的穩定性。研究發現，以100%活性材料構筑的全固態鋰電池在5000圈循環后保持初始容量的80%，其390 Wh/kg的高能量密度是目前所報道長循環全固態鋰電池的1.3倍。
這種新材料兼具高離子電導率、高電子電導率，比傳統的電池材料(層狀氧化物正極材料)高出1000倍以上。這意味著，即便不依賴導電助劑，正極也能順暢地完成充放電過程，顯著提升了電池的整體性能。同時，使用該材料的全固態鋰電池可以實現大于10000圈的超長循環，電池在經過5000次循環充電后，仍能保持80%的初始容量。能夠更長時間提供更充足的電量。該均質化正極策略將有助力于全固態鋰電池的快速商業化，對開發高能量密度、長使用壽命的儲能設備具有重要意義。
相關研究成果以A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries為題，于近日發表在《自然-能源》(Nature Energy)上。
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