近期，Science子刊《Science Advances》以“A Li2S-based all-solid-state battery with high energy and superior safety”為題刊載大連理工大學精細化工國家重點實驗室、化工學院研究進展，報道了一類兼具高能量和高安全性的新型全固態可充電鋰電池。文章第一作者為精細化工國家重點實驗室、化工學院博士研究生劉鈺昭，通訊作者為精細化工國家重點實驗室、化工學院王治宇、邱介山教授。

 

發展高性能電池技術是我國能源結構轉型升級、實現“碳中和、碳達峰”目標的必由之路。當前廣泛使用的鋰離子電池不僅能量密度難如人意，三元正極與易燃電解液的副反應更使其安全性雪上加霜，嚴重威脅了鋰電池生產、存儲、應用、回收整個產業鏈。近年興起的金屬鋰電池在實現500 Wh kg-1高比能電池目標方面極具潛力，但在易燃有機電解液中應用高活性金屬鋰負極使其安全風險更加嚴峻。水系電池、固態鋰離子電池等安全性進步長足，但水系電解質電化學穩定性差、高容量正極匱乏等問題極大限制了此類電池的能量密度。

 

 

針對現有電池技術安全性與能量密度“魚與熊掌不能兼得”的瓶頸，王治宇、邱介山教授將硫化鋰正極與硅負極之間本質安全的多電子氧化還原反應與高可靠性的固態電池設計融合，發展了一類比能量520 Wh kg-1以上、兼具高安全性的全固態鋰二次電池新體系。基于這一電池化學的軟包電池在過熱、內/外短路、機械損傷、過充及水/氧侵蝕等極端條件下仍可正常充放電；500小時無自放電，并可在-20至80oC的寬溫區內工作，具有良好的環境適應性。聯用原位X射線衍射、原位紫外-可見光譜、原位阻抗等先進譜學手段揭示了聚合物固態電解質中的多硫化物介導氧化還原反應機制與多硫化物穿梭抑制效應，發展了利用多級納米反應器增強固態電解質中硫化鋰正極反應活性、提升硅負極結構穩定性的高效策略。此項工作為跨越現有電池技術安全性與能量密度之間的巨大鴻溝，發展高能量、高安全性、高環境適應性的“三高”電池技術開辟了新的方向，在載人交通工具、空間技術、植入醫療、軍事國防等對儲能技術安全性、可靠性需求突出的領域尤具應用前景。

 

 

圖2. 基于硫化鋰正極與硅負極的全固態軟包電池安全性評價：（A）過熱、（B,C）內、外部短路、（D,E）過充、（F,G）空氣中穿刺剪切后充放電、（H,I）剪切浸水后充放電。

 

此項研究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。