復(fù)合正極和均質(zhì)化正極在充電過程中微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖
采用不可燃無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池可以滿足對高安全性儲(chǔ)能系統(tǒng)日益增長的需求。全固態(tài)鋰電池通常采用包含了電極活性材料、導(dǎo)電子和導(dǎo)離子助劑的復(fù)合電極。不同組分之間在化學(xué)、電化學(xué)和力學(xué)等性能上難以完美匹配從而誘發(fā)多種界面問題，嚴(yán)重惡化電池能量密度和使用壽命。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在研究員崔光磊帶領(lǐng)下，由鞠江偉、崔龍飛、張舒等開創(chuàng)性設(shè)計(jì)出均質(zhì)化正極材料，顛覆了全固態(tài)鋰電池復(fù)合正極的范式，解決了上述難題，在實(shí)驗(yàn)中制備出兼具高能量密度和長循環(huán)壽命的全固態(tài)鋰電池。
研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控LiTi2（PS4）3的電導(dǎo)率和充放電容量，成功合成出兼具高離子電導(dǎo)率（0.2 mS cm?1）、高電子電導(dǎo)率（225 mS cm?1）和高放電比容量（250 mA h g?1）的Li1.75Ti2（Ge0.25P0.75S3.8Se0.2）3。該材料的離子和電子電導(dǎo)率高于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料1000倍以上，比容量超過目前的高鎳正極材料。同時(shí)，該材料在充放電過程中僅發(fā)生1.2%的體積形變，低于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料的50%。高的電導(dǎo)率可確保正極在不添加導(dǎo)電助劑的情況下正常充放電，低的體積形變保證了電池在充放電過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，以100%活性材料構(gòu)筑的全固態(tài)鋰電池在5000圈循環(huán)后保持初始容量的80%，其390Wh/kg的高能量密度是目前所報(bào)道長循環(huán)全固態(tài)鋰電池的1.3倍。
該均質(zhì)化正極策略將有助力于全固態(tài)鋰電池的快速商業(yè)化，對開發(fā)高能量密度、長使用壽命的儲(chǔ)能設(shè)備具有重要意義。
7月31日，相關(guān)研究成果以A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries為題，發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。
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