全固態(tài)鋰硫電池是一種新型的清潔能源存儲技術，具有高能量密度、長循環(huán)壽命和低自放電率等優(yōu)點。然而，由于其正極材料的容量限制，目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。因此，開發(fā)一種高容量的硫化物復合正極材料對于推動全固態(tài)鋰硫電池的發(fā)展具有重要意義。
近日，某先進儲能材料與技術研究組開發(fā)出一種高容量硫化物復合正極材料，其比容量是當前三元正極的5倍以上。這一成果不僅為全固態(tài)鋰硫電池的正極結構設計提供了一種新策略，也有助于全固態(tài)鋰硫電池實現(xiàn)商業(yè)化應用。
硫化物全固態(tài)電池是世界前沿技術，有望顛覆性解決傳統(tǒng)有機電解液電池易燃、易爆等安全性問題，并突破充電速度慢、低溫性能差、能量密度低等瓶頸。研究表明，采用硫化物固態(tài)電解質、以硫化鋰作為正極，可將電池能量密度提升至液態(tài)鋰電池的兩倍。未來，若采用硫正極匹配金屬鋰負極，電池能量密度有望進一步提升。硫化鋰和硫被視為全固態(tài)電池未來正極材料的最優(yōu)選擇。
然而，全固態(tài)電池硫化物正極的研究仍然存在挑戰(zhàn)。硫和硫化鋰的轉化為相變過程，反應電化學活性低，導致比容量難以提升。而且，反應過程中的體積變化會引起界面接觸阻抗增大，造成循環(huán)容量衰減和倍率性能變差。
相關研究人員經(jīng)過長期研究，采用磷修飾碳納米管包覆策略制備了硫化物復合正極。經(jīng)介紹，磷修飾碳納米管具有更大比表面積和更多含氧基團，增強了硫正極與固體電解質之間的界面接觸和穩(wěn)定性。
“磷修飾碳納米管可以在復合正極中形成三維導電網(wǎng)絡，有效促進電子的遷移和離子的擴散，同時提高硫的利用率?！毖芯繂T說，由此制備的全固態(tài)鋰硫電池，可實現(xiàn)每克1506.3毫安時的高比容量，經(jīng)過1400次循環(huán)后容量保持率高達70.4%。
在此基礎上，研究團隊采用硫氣相沉積和機械球磨的方法，設計了一種獨特的摻鎳三相界面復合正極，碳納米管的物理限制緩解了硫在充放電過程中的體積膨脹，鎳的微量摻雜有利于催化硫與硫化鋰轉化，可提高復合正極的電化學性能。以此為正極的全固態(tài)鋰硫電池在60攝氏度條件下放電比容量達每克1519.3毫安時，接近理論比容量。在室溫下，放電比容量依然高達每克1060.9毫安時。物理限制和化學催化的協(xié)同效應，提高了全固態(tài)鋰硫電池的電化學性能，實現(xiàn)了室溫下高比容量硫化鋰的創(chuàng)新突破。
這一研究成果不僅為全固態(tài)鋰硫電池的正極結構設計提供了一種新策略，還為實現(xiàn)全固態(tài)鋰硫電池的商業(yè)化應用提供了有力支持。隨著新能源汽車、可穿戴設備等領域對能量存儲的需求不斷增加，全固態(tài)鋰硫電池有望在未來得到更廣泛的應用和發(fā)展。
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