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我校科研团队在高能量、高安全性固态电池领域取得新突破

时间:2022-01-14   来源:化工学院   作者:精细化工国家重点实验室   

近期,Science子刊《Science Advances》以“A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety”为题刊载我校精细化工国家重点实验室、化工学院研究进展,报道了一类兼具高能量和高安全性的新型全固态可充电锂电池。文章第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士研究生刘钰昭,通讯作者为精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授。

发展高性能电池技术是我国能源结构转型升级、实现“碳中和、碳达峰”目标的必由之路。当前广泛使用的锂离子电池不仅能量密度难如人意,三元正极与易燃电解液的副反应更使其安全性雪上加霜,严重威胁了锂电池生产、存储、应用、回收整个产业链。近年兴起的金属锂电池在实现500 Wh kg-1高比能电池目标方面极具潜力,但在易燃有机电解液中应用高活性金属锂负极使其安全风险更加严峻。水系电池、固态锂离子电池等安全性进步长足,但水系电解质电化学稳定性差、高容量正极匮乏等问题极大限制了此类电池的能量密度。

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

针对现有电池技术安全性与能量密度“鱼与熊掌不能兼得”的瓶颈,王治宇、邱介山教授将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融合,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80oC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。

此项研究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。

论文详情:

Yuzhao Liu, Xiangyu Meng, Zhiyu Wang, Jieshan Qiu. A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety,Science Advances, 2022, eabl8390

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl8390

编辑:杜佳   
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