发展高性能电池技术是我国能源结构转型升级、实现双碳目标的必由之路。当前广泛使用的锂离子电池能量密度不尽如人意，安全事故更屡见报端，严重威胁电池生产、存储、应用与回收产业链。近年兴起的金属锂电池在实现500 Wh kg-1高比能目标方面极具潜力，但在易燃有机电解液中使用高活性金属锂负极导致更加严重的安全风险。水系电池、固态锂离子电池具有高可靠性，但其应用囿于比锂离子电池更低的能量密度。难以兼具高储能密度与高安全性已经成为当前电化学储能技术的共性瓶颈之一。
图1. 基于硫化锂正极与硅负极的全固态锂二次电池示意图
针对这一难题，大连理工大学精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授融合硫化锂正极与硅负极之间本质安全的多电子氧化还原反应与高可靠性的固态电池设计，发展了一类比能量520 Wh kg-1以上、兼具高安全性的全固态锂二次电池新体系。基于这一电池化学的软包电池在过热、内/外短路、机械损伤、过充及水/氧侵蚀等极端条件下仍可正常充放电；500 小时无自放电，并可在-20至80 ℃的宽温区内工作，具有良好的环境适应性。联用原位X射线衍射、原位紫外-可见光谱、原位阻抗等先进谱学手段揭示了聚合物固态电解质中的多硫化物介导氧化还原反应机制与多硫化物穿梭抑制效应，发展了利用多级纳米反应器增强固态电解质中硫化锂正极反应活性、提升硅负极结构稳定性的高效策略。此项工作为跨越现有电池技术安全性与能量密度之间的巨大鸿沟，发展高能量、高安全性、高环境适应性的“三高”电池技术开辟了新的方向，在载人交通工具、空间技术、植入医疗、军事国防等对储能技术安全性、可靠性需求突出的领域尤具应用前景。
图2. 基于硫化锂正极与硅负极的全固态软包电池安全性评价：（A）过热、（B,C）内、外部短路、（D,E）过充、（F,G）空气中穿刺剪切后充放电、（H,I）剪切浸水后充放电。
图3. 固态电解质中硫化锂正极在多级纳米反应器内反应机制的原位表征。
上述工作近期发表在Science 子刊Science Advances，论文第一作者为大连理工大学博士研究生刘钰昭。工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连市科技局、大连理工大学的共同资助支持。
A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety
Yuzhao Liu, Xiangyu Meng, Zhiyu Wang, Jieshan Qiu
Sci. Adv., 2022, 8, eabl8390, DOI: 10.1126/sciadv.abl8390
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