在國家“雙碳”政策的引導(dǎo)下，新能源汽車成為國家大力支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。電池的能量密度和安全性成為實現(xiàn)新能源汽車可持續(xù)發(fā)展的重中之重。全固態(tài)電池因其具有安全性高、穩(wěn)定性好、能量密度高等優(yōu)點，開創(chuàng)性的解決了傳統(tǒng)有機(jī)電解液電池中存在的壽命短、易燃、易爆等一系列問題，成為下一代最受關(guān)注的二次電池體系。硫化物固體電解質(zhì)具有可媲美液態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率（超過10-2 S cm-1），適宜的電化學(xué)窗口，高溫下（60℃）不氧化、低溫下不凝固等優(yōu)勢，使得硫化物全固態(tài)鋰電池兼具高能量密度和高倍率性能，是電動汽車電源的最佳選擇，世界眾多車企紛紛投入硫化物全固態(tài)鋰電池的研發(fā)，并發(fā)布了量產(chǎn)計劃。

 

近期，武建飛研究員帶領(lǐng)先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組解決了硫化物全固態(tài)電池疊層工藝的行業(yè)痛點及瓶頸問題，打通了硫化物全固態(tài)電池的大型車載電池制作工藝的最后一道難關(guān)，在硫化物軟包電池疊片技術(shù)上取得關(guān)鍵性突破。制備的多層疊片軟包電池循環(huán)300次容量幾乎不衰減，性能還在繼續(xù)測試中。目前，研究團(tuán)隊正在進(jìn)行20 Ah硫化物全固態(tài)電池成型生產(chǎn)線落地籌備工作，并與上下游產(chǎn)業(yè)方合作，加速技術(shù)的研發(fā)和驗證過程。力爭2026年率先實現(xiàn)硫化物全固態(tài)電池批量化生產(chǎn)。與此同時，先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組在硫化物電解質(zhì)設(shè)計及與鋰負(fù)極界面穩(wěn)定性方面取得關(guān)鍵性進(jìn)展，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

 

研究團(tuán)隊針對Li3PS4硫化物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低、與鋰負(fù)極界面不穩(wěn)定的問題，提出了雙元素共摻雜改性硫化物固態(tài)電解質(zhì)的策略。通過球磨加低溫?zé)�結(jié)工藝制備了高離子電導(dǎo)率和對鋰電化學(xué)穩(wěn)定的新型硫化物固態(tài)電解質(zhì)Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08，并探討了它在全固態(tài)鋰硫電池中的應(yīng)用。XPS和XRD測試結(jié)果表明，Zn成功取代了部分P，F(xiàn)成功取代了部分S，生成了Zn-S和Li-F鍵。異價Zn2+取代部分P5+，產(chǎn)生了更多的鋰離子遷移位點，降低了電解質(zhì)的活化能，從而提高了電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。測試結(jié)果顯示，Zn、F 共摻雜固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率為1.23×10-3 S cm-1，比未摻雜的電解質(zhì)提高了3.5倍。室溫下的活化能（Ea）低至9.8 kJ mol-1。摻F后，電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極之間的界面形成了富含LiF的界面層，使得鋰離子沉積變得均勻。摻Zn后，電解質(zhì)與鋰金屬形成LiZn合金，合金的焊接效應(yīng)有利于避免電解質(zhì)與鋰負(fù)極之間形成孔洞，維持界面穩(wěn)定性。Li/Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08/Li對稱電池的臨界電流密度（CCD）高達(dá)1 mA cm-2，在0.1mA cm-2電流密度下穩(wěn)定循環(huán)超過500 h。最后，在倍率0.05 C和室溫條件下，制備的全固態(tài)鋰硫電池顯示出1295.7 mAh g-1的初始放電容量。并且，該電池在倍率0.5 C、室溫下循環(huán)200次容量不衰減。這項研究為硫化物固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)鋰硫電池的設(shè)計提供了新思路。

 

 

論文第一作者為碩士研究生高源，通訊作者為武建飛研究員、高靜助理研究員和青島科技大學(xué)袁勛教授。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等的支持與資助。（文/圖 高源、高靜）