青岛能源所在硫化物全固态锂离子电池开发中取得新突破

       硫化物全固态锂离子电池凭借高能量、快速充放电、低温性能好以及高安全性、长寿命等优点,开创性地解决了液态锂电池存在的能量密度低、易燃、易爆等一系列问题,成为一项颠覆性前沿科技。硫化物固体电解质具有电位窗宽、电压高;输率为1(液体为0.5),传输速率快; 无溶媒核,扩散速度快; 界面副反应少;高温下(60℃)不氧化、低温下不凝固等优势,使硫化物全固态锂电池同时兼有高能量密度和高倍率性能,是电动汽车电源的最佳选择,世界众多车企纷纷投入硫化物全固态锂电池的研发,并发布了量产计划。

  青岛能源所武建飞研究员带领的先进储能材料与技术研究组,坚持关键材料与工艺技术研发为一体,深耕硫化物全固态锂离子电池领域的基础科学问题和电池规模化制备技术,近年来取得了一系列突破性进展。

  硫化物全固态锂离子电池的关键核心材料是硫化物电解质,目前已报道的硫化物电解质的室温离子电导率达到了10-3~10-2 S cm-1,能够与商品化锂离子电池所用有机电解液的离子电导率相媲美。多年来,团队致力于开发高性能硫化物固体电解质(Journal of Alloys and Compounds;专利202110579229.5),利用高通量计算方法,开发出高电导率的硫化物固体电解质,其室温离子电导率均达到国际水平。并且已建立硫化物固体电解质中试生产线,具备公斤级批量制备能力。

  在此基础上,针对硫化物电解质空气稳定性的研究,近期又取得关键性进展,相关成果发表在ChemElectroChem,通过软酸 Sb5+ 和硬碱 O2- Li10SnP2S12 电解质进行双掺杂,一方面束缚了 S2- 从晶格中逃逸,避免生成 H2S ;另一方面增强了P-S键的强度,抑制了电解质在高电位下氧化为 P2S5 和S。在-10℃露点下,空气稳定性较 Li6PS5Cl 提高近20倍,从而获得了兼具高离子电导率、电化学稳定性和空气稳定性优异的硫化物电解质材料。

 图1 空气稳定硫化物电解质


  为了突破硫化物全固态软包锂电池工业化制备的技术瓶颈,团队自主创新了多项关键技术:制备出厚度低于20μm的超薄电解质膜技术;开发高稳定性电极包覆技术;构建了稳定的电极/电解质界面技术;匀浆、涂布、电极成型等技术;成功开发出具有优异倍率和低温性能的软包电池(10C(6min)倍率下充电,容量达到63.5%,-40℃下放电容量达31%);率先突破全固态软包锂电池循环寿命差的技术难点,成功开发出长循环寿命的全固态软包锂电池,循环850次,容量保持率为94%。

  目前,团队完成了实验室技术制造,已建立一条全固态软包电池实验室生产线,探索出硫化物全固态电池生产模式,为推动高性能、低成本、大容量、高安全硫化物全固态软包电池的工业化生产奠定基础。

 图2 硫化物全固态锂电池电化学性能


  论文第一作者为高静,通讯作者为武建飞研究员。上述工作获得了国家自然科学基金、中科院洁净能源实验室合作项目、山东省重大国际合作项目、山东能源研究院重点项目等的支持。(文/图 高静 王诚)

  原文链接:https://doi.org/10.1002/celc.202200156

  Jing Gao, Xiaolin Sun, Cheng Wang, Yuan Zhang, Li Yang,Depeng Song, Yue Wu, Zewen Yang, Takeo Ohsaka, Futoshi Matsumotoc, and Jianfei Wu*, Sb, O cosubstituted Li10SnP2S12 with high electro-chemicalstability and air stability for all-solid-state lithium batteries, ChemElectroChem,2022, e202200156


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