青岛能源所硫化物电解质研究取得新进展
在国家“双碳”政策的引导下，新能源汽车成为国家大力支持发展的产业。电池的能量密度和安全性成为实现新能源汽车可持续发展的重中之重。全固态电池因其具有安全性高、稳定性好、能量密度高等优点，开创性的解决了传统有机电解液电池中存在的寿命短、易燃、易爆等一系列问题，成为下一代最受关注的二次电池体系。硫化物固体电解质具有可媲美液态电解质的电导率（超过10-2 S cm-1），适宜的电化学窗口，高温下（60℃）不氧化、低温下不凝固等优势，使得硫化物全固态锂电池兼具高能量密度和高倍率性能，是电动汽车电源的最佳选择，世界众多车企纷纷投入硫化物全固态锂电池的研发，并发布了量产计划。
近期，武建飞研究员带领先进储能材料与技术研究组解决了硫化物全固态电池叠层工艺的行业痛点及瓶颈问题，打通了硫化物全固态电池的大型车载电池制作工艺的最后一道难关，在硫化物软包电池叠片技术上取得关键性突破。制备的多层叠片软包电池循环300次容量几乎不衰减，性能还在继续测试中。目前，研究团队正在进行20 Ah硫化物全固态电池成型生产线落地筹备工作，并与上下游产业方合作，加速技术的研发和验证过程。力争2026年率先实现硫化物全固态电池批量化生产。与此同时，先进储能材料与技术研究组在硫化物电解质设计及与锂负极界面稳定性方面取得关键性进展，相关研究成果近日发表于国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。
研究团队针对Li3PS4硫化物电解质离子电导率低、与锂负极界面不稳定的问题，提出了双元素共掺杂改性硫化物固态电解质的策略。通过球磨加低温烧结工艺制备了高离子电导率和对锂电化学稳定的新型硫化物固态电解质Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08，并探讨了它在全固态锂硫电池中的应用。XPS和XRD测试结果表明，Zn成功取代了部分P，F成功取代了部分S，生成了Zn-S和Li-F键。异价Zn2+取代部分P5+，产生了更多的锂离子迁移位点，降低了电解质的活化能，从而提高了电解质的离子电导率。测试结果显示，Zn、F 共掺杂固态电解质的离子电导率为1.23×10-3 S cm-1，比未掺杂的电解质提高了3.5倍。室温下的活化能（Ea）低至9.8 kJ mol-1。掺F后，电解质和锂金属负极之间的界面形成了富含LiF的界面层，使得锂离子沉积变得均匀。掺Zn后，电解质与锂金属形成LiZn合金，合金的焊接效应有利于避免电解质与锂负极之间形成孔洞，维持界面稳定性。Li/Li3.04P0.96Zn0.04S3.92F0.08/Li对称电池的临界电流密度（CCD）高达1 mA cm-2，在0.1mA cm-2电流密度下稳定循环超过500 h。最后，在倍率0.05 C和室温条件下，制备的全固态锂硫电池显示出1295.7 mAh g-1的初始放电容量。并且，该电池在倍率0.5 C、室温下循环200次容量不衰减。这项研究为硫化物固态电解质和全固态锂硫电池的设计提供了新思路。
图1 Zn, F共掺杂电解质的离子电导率、活化能、锂对称电池性能和全固态锂硫电池性能
论文第一作者为硕士研究生高源，通讯作者为武建飞研究员、高静助理研究员和青岛科技大学袁勋教授。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金项目、山东省重点研发计划项目等的支持与资助。（文/图 高源、高静）
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