中國儲能網訊：以無機固體電解質替代有機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，有望進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，基于硫化物電解質的固態(tài)電池，因金屬鋰與電解質的兼容性較差使得金屬鋰無法作為負極使用，導致固態(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)鋰電池團隊姚霞銀副研究員領導的小組設計了一種新型的固態(tài)電池結構，以高鋰離子電導率的Li10GeP2S12和對金屬鋰穩(wěn)定的Li7P3S11構建雙電解質異質結構，實現(xiàn)了金屬鋰負極在固態(tài)電池中應用，如圖1所示。此外，為了避免氧化物正極與硫化物電解質因空間電荷層效應導致的高界面阻抗，首次在全固態(tài)鋰電池中采用納米結構的多元金屬硫化物Cu2ZnSnS4作為正極活性材料，顯著抑制了正極/硫化物電解質界面阻抗；同時復合石墨烯構建電子通道，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544.6和233.9mAh/g的放電比容量。相關工作發(fā)表于Energy Storage Mater.，2016, 4, 59-65。
圖1 基于金屬鋰負極的全固態(tài)鋰電池結構示意圖以及電池性能
基于上述全固態(tài)鋰電池的結構，為應對因電極與固體電解質之間固-固界面有效接觸弱以及離子在固體物質中傳輸動力學低等方面挑戰(zhàn)，研究團隊與中國科學院物理所、美國馬里蘭大學合作，從正極層設計出發(fā)，選擇與硫化物電解質相容性好的過渡金屬硫化物作為正極活性物質，并在其表面原位生長納米尺度硫化物電解質，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力學，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電解質復合材料結構示意圖，基于該復合材料的全固態(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。相關工作發(fā)表于Nano Lett.，2016, 16, 7148-7154。
圖2 硫化鈷/Li7P3S11電解質復合材料結構示意圖及電池性能
上述研究工作得到了中科院納米先導專項（XDA09010201）、國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃，2013AA050906）、國家自然科學基金（51202265，51502317）等項目的支持。
