發展高性能電池技術是我國推動“清潔低碳、安全高效”的能源體系變革、實現“碳中和、碳達峰”目標的必由之路。廣泛使用的鋰離子電池因使用低容量三元氧化物正極，能量密度與安全性均不盡如人意。近年興起的高能量金屬鋰電池也因在易燃有機電解液中使用活性極高的金屬鋰負極，面臨嚴重安全風險。針對以上問題，王治宇、邱介山教授團隊在前期工作中，發展了一類不含金屬鋰、氧等高活性物種、理論容量高達1166 mAh g^-1的新型硫化鋰正極，基于其建立了本質安全的高能量電池化學新體系，實現了高能量密度、高安全性、高耐候性的新型“三高”電池創制（Nature Commun.,2014,5, 5002、Adv. Energy Mater.,2017, 1700018、Adv. Funct. Mater.,2019,29, 1905986、Energy Environ. Sci.,2021,14, 2278;Science Advances,2022, eabl8390），突破了現有電池技術之安全性與能量密度“魚與熊掌不能兼得”的共性技術瓶頸。

在此基礎上，王治宇、邱介山教授團隊近日在材料與能源科學領域旗艦期刊Advanced Materials發表題為“A High-Energy and Safe Lithium Battery Enabled by Solid State Redox Chemistry in a Fireproof Gel Electrolyte”的研究論文。利用硫化聚合物分子鏈作為化學模板精細調控硫化鋰分子聚集態，將硫化鋰正極的結構設計自納米尺度下延至分子尺度，發展了一類新型分子硫化鋰正極材料。此類分子硫化鋰正極遵循與常規硫化鋰正極截然不同的“固-固”反應機制，杜絕了可溶性多硫化物中間物種的產生與溶解流失，穩定循環2000次后容量保持率>90%，且高度兼容應用于鋰離子電池的碳酸酯類電解液與用于鋰硫電池的醚類電解液，極大拓寬了基于硫化鋰正極的高能量、本質安全電池化學的調控空間。

圖1. 分子硫化鋰正極“固-固”轉化機制的原位表征與理論計算分析

在此基礎上，以MXene作為導熱劑與阻燃劑，開發了一類耐高溫、耐火阻燃的醚-碳酸酯混合聚合物凝膠電解質，在彌補傳統聚合物電解質易熔易燃之短板的同時，提升電解質與電極的界面與化學兼容性。基于此類高安全性聚合物凝膠電解質與分子硫化鋰正極，創制了循環壽命長達500次，在過熱、短路、機械損傷、水浸、火燒等嚴苛條件下具有高可靠性的新型高能量鋰二次電池。本工作融合電極材料精細分子設計與電解質結構設計，實現電池性能與安全性全面內在優化的技術策略，為“三高”新型電池技術的發展提供了新的思路。

圖2. 耐高溫、耐火阻燃的醚-碳酸酯混合聚合物凝膠電解質

圖3. 基于硫化鋰正極、硅負極與耐火阻燃聚合物凝膠電解質的準固態電池安全性評價

論文第一作者為精細化工國家重點實驗室、化工學院博士生孟祥玉。工作得到了國家自然科學基金會、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學的共同資助支持。

文獻詳情：A High-Energy and Safe Lithium Battery Enabled by Solid State Redox Chemistry in a Fireproof Gel Electrolyte. Adv. Mater. 2022, 2201981.

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202201981

參考資料：http://chemeng.dlut.edu.cn/info/1039/11422.htm