硫化物全固態(tài)鋰離子電池憑借高能量、快速充放電、低溫性能好以及高安全性、長壽命等優(yōu)點，開創(chuàng)性地解決了液態(tài)鋰電池存在的能量密度低、易燃、易爆等一系列問題，成為一項顛覆性前沿科技。硫化物固體電解質(zhì)具有電位窗寬、電壓高；輸率為1（液體為0.5），傳輸速率快； 無溶媒核，擴(kuò)散速度快； 界面副反應(yīng)少；高溫下（60 ）不氧化、低溫下不凝固等優(yōu)勢，使硫化物全固態(tài)鋰電池同時兼有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。
青島能源所武建飛研究員帶領(lǐng)的先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組，堅持關(guān)鍵材料與工藝技術(shù)研發(fā)為一體，深耕硫化物全固態(tài)鋰離子電池領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題和電池規(guī)模化制備技術(shù)，近年來取得了一系列突破性進(jìn)展。
硫化物全固態(tài)鋰離子電池的關(guān)鍵核心材料是硫化物電解質(zhì)，目前已報道的硫化物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率達(dá)到了10-3~10-2 S cm-1，能夠與商品化鋰離子電池所用有機(jī)電解液的離子電導(dǎo)率相媲美。多年來，團(tuán)隊致力于開發(fā)高性能硫化物固體電解質(zhì)（Journal of Alloys and Compounds；專利202110579229.5)，利用高通量計算方法，開發(fā)出高電導(dǎo)率的硫化物固體電解質(zhì)，其室溫離子電導(dǎo)率均達(dá)到國際水平。并且已建立硫化物固體電解質(zhì)中試生產(chǎn)線，具備公斤級批量制備能力。
在此基礎(chǔ)上，針對硫化物電解質(zhì)空氣穩(wěn)定性的研究，近期又取得關(guān)鍵性進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在ChemElectroChem，通過軟酸Sb5+和硬堿O2-對Li10SnP2S12電解質(zhì)進(jìn)行雙摻雜，一方面束縛了S2-從晶格中逃逸，避免生成H2S；另一方面增強(qiáng)了P-S鍵的強(qiáng)度，抑制了電解質(zhì)在高電位下氧化為P2S5和S。在-10 露點下，空氣穩(wěn)定性較Li6PS5Cl提高近20倍，從而獲得了兼具高離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性優(yōu)異的硫化物電解質(zhì)材料。
圖1 空氣穩(wěn)定硫化物電解質(zhì)
為了突破硫化物全固態(tài)軟包鋰電池工業(yè)化制備的技術(shù)瓶頸，團(tuán)隊自主創(chuàng)新了多項關(guān)鍵技術(shù)：制備出厚度低于20 m的超薄電解質(zhì)膜技術(shù)；開發(fā)高穩(wěn)定性電極包覆技術(shù)；構(gòu)建了穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面技術(shù)；勻漿、涂布、電極成型等技術(shù)；成功開發(fā)出具有優(yōu)異倍率和低溫性能的軟包電池（10C（6min）倍率下充電，容量達(dá)到63.5%，-40 下放電容量達(dá)31%）；率先突破全固態(tài)軟包鋰電池循環(huán)壽命差的技術(shù)難點，成功開發(fā)出長循環(huán)壽命的全固態(tài)軟包鋰電池，循環(huán)850次，容量保持率為94%。
目前，團(tuán)隊完成了實驗室技術(shù)制造，已建立一條全固態(tài)軟包電池實驗室生產(chǎn)線，探索出硫化物全固態(tài)電池生產(chǎn)模式，為推動高性能、低成本、大容量、高安全硫化物全固態(tài)軟包電池的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
圖2 硫化物全固態(tài)鋰電池電化學(xué)性能
論文第一作者為高靜，通訊作者為武建飛研究員。上述工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源實驗室合作項目、山東省重大國際合作項目、山東能源研究院重點項目等的支持。
Jing Gao, Xiaolin Sun, Cheng Wang, Yuan Zhang, Li Yang,Depeng Song, Yue Wu, Zewen Yang, Takeo Ohsaka, Futoshi Matsumotoc, and Jianfei Wu*, Sb, O cosubstituted Li10SnP2S12 with high electro-chemicalstability and air stability for all-solid-state lithium batteries, ChemElectroChem，2022, e202200156
