大连理工《EES》：高能量、高安全性无金属锂准固态可充电池！

现有的使用石墨阳极和插层型氧化物阴极的锂离子电池（LIB）的能量密度已接近理论极限（350 W h /kg）。但是，锂金属阳极的商业化面临重大挑战，包括：（i）由于易燃电解质中锂枝晶生长不受控制而导致的严重安全风险和电池失效；（ii）与锂金属和电解质之间持续不可逆的反应有关的日历寿命短；（iii）由于反复进行镀覆/剥离而导致的固体-电解质界面（SEI）无限变形，导致库仑效率（CE）低；（iv）由于氧化还原阴极释放的反应性物质的损害而导致性能下降。近年来，市场上出现了高能锂金属电池对替代现有锂离子电池的强烈需求。然而，在易燃有机液体电解质中涉及反应性极强的锂金属阳极的电池化学性质在电池性能和安全性方面提出了严重的问题。

大连理工大学王治宇教授与北京化工大学邱介山教授团队报告了在准固态可充电电池设计中实现高能量和卓越安全性的方法，这种方法的原理是基于凝胶介电质电解质中Li₂S阴极和Si阳极之间的无锂金属稳定氧化还原化学，其具有良好的界面特性、离子电导率和健壮性。相关论文以题A quasi-solid-state rechargeable cell with high energy and superior safety enabled by stable redox chemistry of Li2S in gel electrolyte发表在顶刊Energy Environ. Sci.。

论文链接：

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

通过消除电池中不受控制的放热链反应，即使是在极端条件下，这种化学作用也可确保本质上较高的安全性。另一方面，设计了纳米空间限制的双功能电催化吸附剂，以最大程度地减小Li₂S阴极在凝胶电解质中的扩散限制，同时通过多层空心设计来增强Si阳极。所获得的准固态可充电Li₂S || Si全电池在-20至60℃的温度下具有高达802 W h/kg_{Li2S + Si}的高比能，且具有高耐久性、低自放电性和良好的温度适应性。同时，电池对机械损坏，过热以及空气或水中的短路表现出极好的安全性，为实际使用提供了很高的可靠性。

 

图1.准固态h-CoN @ MCNF / Li₂S || Si-NP @ MCNF电池的构型和优点的示意图。

 

图2.h-CoN @ MCNF / Li₂S阴极的表征

 

图3.半电池中h-CoN @ MCNF / Li₂S阴极的电化学性能

 

图4准固态h-CoN @ MCNF / Li₂S || Si-NP @ MCNF全电池的电化学性能

 

图5.准固态Li₂S || Si全电池的安全性评估

 

图6.DFT计算和CoN对Li­S阴极动力学的电催化作用的操作分析

总之，本文从无锂金属准固态电池设计的角度探讨了生产高能和安全可充电电池的可行性。电极结构的多层空心设计同时适用于最大化其活性和耐用性。结合的密度泛函理论计算和操作分析揭示了CoN作为双功能电催化吸附剂在提高纳米空间限制的Li₂S /导体/电解质界面上的氧化还原动力学方面的关键作用和积极作用。稳定的电池化学性能和坚固的电池配置的良好结合，使准固态可充电电池具有较高的比能、出色的温度适应性和出色的安全性，这可防止电池出现机械损坏、过热以及空气和水的短路。这项研究可以为高性能电源的开发提供新的见解，从而满足对能源和可靠性的迫切需求。（文：SSC）