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發(fā)展高性能電池技術(shù)是我國(guó)推動(dòng)“清潔低碳、安全高效”的能源體系變革、實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)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(jī)電解液中使用活性極高的金屬鋰負(fù)極，面臨嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以上問題，王治宇、邱介山教授團(tuán)隊(duì)在前期工作中，發(fā)展了一類不含金屬鋰、氧等高活性物種、理論容量高達(dá)1166 mAh g^-1的新型硫化鋰正極，基于其建立了本質(zhì)安全的高能量電池化學(xué)新體系，實(shí)現(xiàn)了高能量密度、高安全性、高耐候性的新型“三高”電池創(chuàng)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(xiàn)有電池技術(shù)之安全性與能量密度“魚與熊掌不能兼得”的共性技術(shù)瓶頸。

在此基礎(chǔ)上，王治宇、邱介山教授團(tuán)隊(duì)近日在材料與能源科學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊Advanced Materials發(fā)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(xué)模板精細(xì)調(diào)控硫化鋰分子聚集態(tài)，將硫化鋰正極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自納米尺度下延至分子尺度，發(fā)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(guī)硫化鋰正極截然不同的“固-固”反應(yīng)機(jī)制，杜絕了可溶性多硫化物中間物種的產(chǎn)生與溶解流失，穩(wěn)定循環(huán)2000次后容量保持率>90%，且高度兼容應(yīng)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(zhì)安全電池化學(xué)的調(diào)控空間。

圖1. 分子硫化鋰正極“固-固”轉(zhuǎn)化機(jī)制的原位表征與理論計(jì)算分析

在此基礎(chǔ)上，以MXene作為導(dǎo)熱劑與阻燃劑，開發(fā)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(zhì)，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)易熔易燃之短板的同時(shí)，提升電解質(zhì)與電極的界面與化學(xué)兼容性。基于此類高安全性聚合物凝膠電解質(zhì)與分子硫化鋰正極，創(chuàng)制了循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)500次，在過熱、短路、機(jī)械損傷、水浸、火燒等嚴(yán)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(xì)分子設(shè)計(jì)與電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池性能與安全性全面內(nèi)在優(yōu)化的技術(shù)策略，為“三高”新型電池技術(shù)的發(fā)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(zhì)

圖3. 基于硫化鋰正極、硅負(fù)極與耐火阻燃聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)電池安全性評(píng)價(jià)

論文第一作者為精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院博士生孟祥玉。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學(xué)的共同資助支持。

文獻(xiàn)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