魚(yú)與熊掌可兼得：高能量、高安全性無(wú)金屬鋰準(zhǔn)固態(tài)二次電池
發(fā)展高能量、高安全性的電能存儲(chǔ)技術(shù)與是當(dāng)今世界發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、改善生態(tài)環(huán)境、緩解能源危機(jī)的重大戰(zhàn)略需求。鋰離子電池是綜合性能最好的儲(chǔ)能與動(dòng)力電池體系之一，但傳統(tǒng)嵌鋰金屬氧化物正極不僅極大限制電池能量密度，其晶格釋氧反應(yīng)造成的電池脹氣、熱失控等問(wèn)題跟顯著制約了電池的壽命與可靠性。高比容量金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用可將鋰二次電池的能量密度提升數(shù)倍以上，但金屬鋰枝晶生長(zhǎng)等難題也使其實(shí)際應(yīng)用遙遙無(wú)期。
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圖1. 基于硫化鋰正極、硅負(fù)極與聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)鋰二次電池在（a）內(nèi)、外部短路、（b）過(guò)熱、（c）剪切后空氣靜置、（d）穿刺、（e）剪切暴露空氣、（f）剪切浸水等濫用條件下的安全性評(píng)估
圖2.導(dǎo)電吸附-催化雙功能活性位點(diǎn)對(duì)鋰硫可逆氧化還原反應(yīng)促進(jìn)機(jī)制的原位表征
針對(duì)現(xiàn)有二次電池體系的瓶頸難題，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王治宇教授、邱介山教授基于凝膠電解質(zhì)中硫化鋰正極與硅負(fù)極之間本質(zhì)安全的多電子氧化還原反應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)高能量密度（506-802 Wh kg-1）的同時(shí)，從原理上根除高活性金屬鋰負(fù)極或釋氧正極對(duì)電池壽命與安全性的影響，發(fā)展了一類(lèi)兼具高能量和高可靠性的無(wú)金屬鋰準(zhǔn)固態(tài)鋰二次電池新體系。構(gòu)建的軟包電池對(duì)過(guò)熱、內(nèi)/外部短路、機(jī)械穿刺/切割及水/氧破損等濫用條件均具有良好抗性，且自放電率低，在-20至60 oC寬溫區(qū)內(nèi)可正常工作。聯(lián)用原位紫外光譜、原位X射線衍射及原位電化學(xué)阻抗譜的機(jī)理研究揭示此類(lèi)電池遵循多硫化物介導(dǎo)機(jī)制，可以通過(guò)在碳載體限域空間內(nèi)原位構(gòu)建導(dǎo)電吸附-催化雙功能活性位點(diǎn)以消除多硫化物中間體從吸附位向催化活性位的多余擴(kuò)散步驟，從而提升電池在凝膠電解質(zhì)中的反應(yīng)效率。此項(xiàng)工作為彌補(bǔ)二次電池安全性與能量密度之間的鴻溝，發(fā)展高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的新型電池提供了新的思路，在載人交通工具、空間技術(shù)、植入醫(yī)療等對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)安全性、可靠性需求突出的領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。
上述工作近期發(fā)表在能源與環(huán)境科學(xué)國(guó)際旗艦期刊Energy & Environmental Science Edi.tion（DOI: 10.1039/D0EE03037F），論文第一作者為大連理工大學(xué)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。
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