研究背景
发展高能量、高安全性的电能存储技术与是当今世界发展低碳经济、改善生态环境、缓解能源危机的重大战略需求。锂离子电池是综合性能最好的储能与动力电池体系之一，但传统嵌锂金属氧化物正极较低的比容量使其能量密度难有突破性提升，此类正极材料释氧造成的电池胀气、热失控等问题也降低了电池寿命与可靠性。高比容量金属锂负极的应用为下一代高能量锂二次电池的发展带来巨大机遇，但枝晶生长、活性物质不可逆消耗以及界面失配等难题也为其实际应用带来巨大挑战。
成果简介
针对以上难题，我室王治宇、邱介山教授在基于硫化锂正极材料的高能量、高本征安全性无金属锂二次电极新体系构建方面开展了不懈工作。发现了硫化锂正极的性能衰减机制并建立了基于双功能胺基小分子化学耦合提升其稳定性的新策略（Nat. Commun., 2014, 5, 5002）；基于廉价锂盐与商业化高分子之间的碳热还原反应，发展了硫化锂电极的廉价制备新方法，创制了基于硫化锂正极与金属氧化物负极的无金属锂原型二次电池（Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1700018）；利用有序金属有机化合物分子笼封装廉价无机锂盐离子团簇实现高分散纳米硫化锂/碳复合正极材料的高效构筑，在液态电解质体系中构建了基于硫化锂正极与硅负极的高比能量、无金属锂二次电池（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905986）；基于钴/碳、三维MXene等在高载量电极中实现了锂硫可逆氧化还原反应的高效电化学催化（J. Energy Chem.,2019, 37, 183；Energy Storage Mater., 2019, 20, 98）。
在此基础上，他们近日在能源与环境科学国际旗舰期刊Energy & Environmental Science 发表研究工作，提出了一种兼具高能量密度和高安全性的无金属锂准固态锂二次电池设计新方案。基于硫化锂正极与硅负极的电极体系在提供高比容量的同时，在原理上避免了金属锂负极或释氧正极对电池寿命与安全性的影响。通过在电极表面原位构建高离子电导率、界面兼容性优良的聚合物凝胶电解质进一步提升电池机械性能及在滥用条件下的使役安全性，获得了比能量506-802 Wh kg-1、具有高本征安全性的柔性准固态锂二次电池新体系。构建的软包电池对过热、内/外部短路、机械穿刺/切割及水/氧破损等极端工况条件具有良好抗性，且自放电率低，在-20至60 ℃宽温区内均可正常工作。研究发现此类电池遵循与锂硫电池类似的多硫化物介导机制，基于此提出了在多重纳米限域空间内原位构建导电吸附-催化双功能活性位点，避免多硫化物中间体从极性非导电吸附位向导电催化活性位的额外扩散步骤，从而降低硫化锂活化能垒并大幅提升锂硫可逆氧化还原反应效率。此项工作为高比能量、高安全性、高环境适应性二次电池的设计提供了新的思路。
图1. 基于硫化锂正极、硅负极与聚合物凝胶电解质的准固态锂二次电池在（a）内、外部短路、（b）过热、（c）剪切后空气静置、（d）穿刺、（e）剪切暴露空气、（f）剪切浸水等极端工况条件下的安全性评估。
图2. CoN导电吸附-催化双功能活性位点对锂硫可逆氧化还原反应促进机制的原位表征。
论文第一作者为大连理工大学博士生孟祥玉，工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连理工大学的共同资助支持。
文献详情：
A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li2S in gel electrolyte, Xiangyu Meng, Yuzhao Liu, Zhiyu Wang,* Yizhou Zhang, Xingyu Wang, Jieshan Qiu*, Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D0EE03037F
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