青島能源所開發(fā)均質(zhì)化正極材料實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰電池新突破
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】全固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料，不含有任何液體的鋰電池。它主要包括全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)金屬鋰電池，主要區(qū)別在于負(fù)極是否含有金屬鋰。全固態(tài)鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)勢，可以滿足對高安全性儲能系統(tǒng)日益增長的需求。然而，全固態(tài)鋰電池通常采用復(fù)合電極，不同組分之間在化學(xué)、電化學(xué)和力學(xué)等性能上難以完美匹配從而誘發(fā)多種界面問題，嚴(yán)重惡化電池能量密度和使用壽命。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所科研團(tuán)隊(duì)在全固態(tài)鋰電池領(lǐng)域取得新的突破，開創(chuàng)性設(shè)計(jì)出均質(zhì)化正極材料，顛覆了全固態(tài)鋰電池復(fù)合正極的范式，解決了上述難題，在實(shí)驗(yàn)中制備出兼具高能量密度和長循環(huán)壽命的全固態(tài)鋰電池。這一成果有望讓電子設(shè)備小型化、長續(xù)航的夢想成為現(xiàn)實(shí)。
研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控LiTi2(PS4)3的電導(dǎo)率和充放電容量，成功合成出兼具高離子電導(dǎo)率(0.2 mS cm−1)、高電子電導(dǎo)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(dǎo)率高于傳統(tǒng)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(shí)，該材料在充放電過程中僅發(fā)生1.2%的體積形變，低于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料的50%。高的電導(dǎo)率可確保正極在不添加導(dǎo)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，以100%活性材料構(gòu)筑的全固態(tài)鋰電池在5000圈循環(huán)后保持初始容量的80%，其390 Wh/kg的高能量密度是目前所報(bào)道長循環(huán)全固態(tài)鋰電池的1.3倍。
這種新材料兼具高離子電導(dǎo)率、高電子電導(dǎo)率，比傳統(tǒng)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(dǎo)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(shí)，使用該材料的全固態(tài)鋰電池可以實(shí)現(xiàn)大于10000圈的超長循環(huán)，電池在經(jīng)過5000次循環(huán)充電后，仍能保持80%的初始容量。能夠更長時(shí)間提供更充足的電量。該均質(zhì)化正極策略將有助力于全固態(tài)鋰電池的快速商業(yè)化，對開發(fā)高能量密度、長使用壽命的儲能設(shè)備具有重要意義。
相關(guān)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(fā)表在《自然-能源》(Nature Energy)上。
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