近期，能源領(lǐng)域旗艦期刊《Energy & Environmental Science》以“A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li₂S in gel electrolyte”為題刊載我校精細化工國家重點實驗室、化工學(xué)院研究進展，報道了一類兼具高能量密度和高安全性的準固態(tài)可充電鋰離子電池新體系。文章第一作者為精細化工國家重點實驗室、化工學(xué)院博士研究生孟祥玉，通訊作者為精細化工國家重點實驗室、化工學(xué)院王治宇、邱介山教授。

發(fā)展高能量、高安全性的電能存儲技術(shù)與是當今世界發(fā)展低碳經(jīng)濟、改善生態(tài)環(huán)境、緩解能源危機的重大戰(zhàn)略需求。鋰離子電池是綜合性能最好的儲能與動力電池體系之一，但傳統(tǒng)嵌鋰金屬氧化物正極不僅極大限制電池能量密度，其晶格釋氧反應(yīng)造成的電池脹氣、熱失控等問題更顯著制約了電池的壽命與可靠性。利用高比容量的金屬鋰負極可將鋰離子電池的能量密度提升數(shù)倍，但金屬鋰枝晶生長造成的電池短路、性能快速衰減等難題也使其實際應(yīng)用遙遙無期。

 

 

圖1.基于硫化鋰正極、硅負極與聚合物凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)鋰二次電池在（a）內(nèi)、外部短路、（b）過熱、（c）剪切后空氣靜置、（d）穿刺、（e）剪切暴露空氣、（f）剪切浸水等濫用條件下的安全性評估

圖2.導(dǎo)電吸附-催化雙功能活性位點對鋰硫可逆氧化還原反應(yīng)促進機制的原位分析

針對現(xiàn)有鋰離子電池體系在能量密度與安全性上的瓶頸，王治宇、邱介山教授團隊利用凝膠電解質(zhì)中硫化鋰正極與硅負極之間的穩(wěn)定多電子氧化還原反應(yīng)，在實現(xiàn)高能量密度（506-802 Wh kg^-1）的同時，從原理上根除了高活性金屬鋰負極或釋氧正極對電池壽命與安全性的影響，發(fā)展了一類具有本質(zhì)安全性的高能量準固態(tài)鋰離子電池新體系。獲得的軟包電池在過熱、內(nèi)/外部短路、機械穿刺/切割及水/氧破損等濫用條件下均具有良好的穩(wěn)定性，且可在-20至60^oC寬溫區(qū)內(nèi)正常工作。在聯(lián)用原位紫外光譜、原位X射線衍射及原位電化學(xué)阻抗譜深入理解揭示其多硫化物介導(dǎo)反應(yīng)機理基礎(chǔ)上，發(fā)展了限域空間內(nèi)構(gòu)建導(dǎo)電吸附-催化雙功能活性位點，提升電池在低離子遷移率凝膠電解質(zhì)中氧化還原反應(yīng)效率的有效策略。此項工作為彌補二次電池安全性與能量密度之間的鴻溝，發(fā)展高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的新型電池提供了新的思路，在載人交通工具、空間技術(shù)、植入醫(yī)療等對儲能技術(shù)安全性、可靠性需求突出的領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

工作得到了國家自然科學(xué)基金會、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學(xué)的共同資助支持。