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現(xiàn)有的使用石墨陽極和插層型氧化物陰極的鋰離子電池（LIB）的能量密度已接近理論極限（350 W h /kg）。但是，鋰金屬陽極的商業(yè)化面臨重大挑戰(zhàn)，包括：（i）由于易燃電解質(zhì)中鋰枝晶生長(zhǎng)不受控制而導(dǎo)致的嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)和電池失效；（ii）與鋰金屬和電解質(zhì)之間持續(xù)不可逆的反應(yīng)有關(guān)的日歷壽命短；（iii）由于反復(fù)進(jìn)行鍍覆/剝離而導(dǎo)致的固體-電解質(zhì)界面（SEI）無限變形，導(dǎo)致庫侖效率（CE）低；（iv）由于氧化還原陰極釋放的反應(yīng)性物質(zhì)的損害而導(dǎo)致性能下降。近年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了高能鋰金屬電池對(duì)替代現(xiàn)有鋰離子電池的強(qiáng)烈需求。然而，在易燃有機(jī)液體電解質(zhì)中涉及反應(yīng)性極強(qiáng)的鋰金屬陽極的電池化學(xué)性質(zhì)在電池性能和安全性方面提出了嚴(yán)重的問題。

大連理工大學(xué)王治宇教授與北京化工大學(xué)邱介山教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了在準(zhǔn)固態(tài)可充電電池設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高能量和卓越安全性的方法，這種方法的原理是基于凝膠介電質(zhì)電解質(zhì)中Li2S陰極和Si陽極之間的無鋰金屬穩(wěn)定氧化還原化學(xué)，其具有良好的界面特性、離子電導(dǎo)率和健壯性。相關(guān)論文以題A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li2S in gel electrolyte發(fā)表在頂刊Energy Environ. Sci.。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D0EE03037F

通過消除電池中不受控制的放熱鏈反應(yīng)，即使是在極端條件下，這種化學(xué)作用也可確保本質(zhì)上較高的安全性。另一方面，設(shè)計(jì)了納米空間限制的雙功能電催化吸附劑，以最大程度地減小Li2S陰極在凝膠電解質(zhì)中的擴(kuò)散限制，同時(shí)通過多層空心設(shè)計(jì)來增強(qiáng)Si陽極。所獲得的準(zhǔn)固態(tài)可充電Li2S || Si全電池在-20至60℃的溫度下具有高達(dá)802 W h/kgLi2S + Si的高比能，且具有高耐久性、低自放電性和良好的溫度適應(yīng)性。同時(shí)，電池對(duì)機(jī)械損壞，過熱以及空氣或水中的短路表現(xiàn)出極好的安全性，為實(shí)際使用提供了很高的可靠性。

圖1.準(zhǔn)固態(tài)h-CoN @ MCNF / Li2S || Si-NP @ MCNF電池的構(gòu)型和優(yōu)點(diǎn)的示意圖。

圖2.h-CoN @ MCNF / Li2S陰極的表征

圖3.半電池中h-CoN @ MCNF / Li2S陰極的電化學(xué)性能

圖4準(zhǔn)固態(tài)h-CoN @ MCNF / Li2S || Si-NP @ MCNF全電池的電化學(xué)性能

圖5.準(zhǔn)固態(tài)Li2S || Si全電池的安全性評(píng)估

圖6.DFT計(jì)算和CoN對(duì)Li­S陰極動(dòng)力學(xué)的電催化作用的操作分析

總之，本文從無鋰金屬準(zhǔn)固態(tài)電池設(shè)計(jì)的角度探討了生產(chǎn)高能和安全可充電電池的可行性。電極結(jié)構(gòu)的多層空心設(shè)計(jì)同時(shí)適用于最大化其活性和耐用性。結(jié)合的密度泛函理論計(jì)算和操作分析揭示了CoN作為雙功能電催化吸附劑在提高納米空間限制的Li2S /導(dǎo)體/電解質(zhì)界面上的氧化還原動(dòng)力學(xué)方面的關(guān)鍵作用和積極作用。穩(wěn)定的電池化學(xué)性能和堅(jiān)固的電池配置的良好結(jié)合，使準(zhǔn)固態(tài)可充電電池具有較高的比能、出色的溫度適應(yīng)性和出色的安全性，這可防止電池出現(xiàn)機(jī)械損壞、過熱以及空氣和水的短路。這項(xiàng)研究可以為高性能電源的開發(fā)提供新的見解，從而滿足對(duì)能源和可靠性的迫切需求。