Nature重磅：固態電池，再獲突破!

1.【科學背景】

固態鋰-硫（Li-S）電池具有成本低、理論能量密度高、原材料來源豐富等優勢，非常有望作為動力電池應用于電動汽車中。并且，使用無機固態電解質有助于消除液態Li-S電池中由于中間產物多硫離子“穿梭效應”造成的容量衰減。然而，固態Li-S電池的發展，一直受到正極材料硫的絕緣性和循環過程中大體積變化導致的不良接觸界面的困擾，這些問題嚴重阻礙了電池中不同固體成分之間的電荷轉移。

2.【創新成果】

基于以上研究背景，美國加州大學圣地亞哥分校劉平教授、Shyue Ping Ong教授（通訊作者）等人將分子晶體S_9.3I作為正極引入到固態Li-S電池中。S_9.3I材料在25℃下的電子電導率可以達到5.9×10^-7 S cm^-1，相比單質硫提升了11個數量級。并且，碘的存在促進了電池循環過程中反應性多硫化物的生成，該生成物具有65℃的低熔點，可以通過加熱熔融對電極/電解質界面進行修復。因此，在固態Li-S電池中，S_9.3I正極材料可以同時實現高電導率和界面自修復。相關研究成果以“Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li-S batteries”為題發表在最新Nature期刊上。

圖1. S_9.3I的結構與性質表征。? 2024 Springer Nature

圖2. 固態Li-S電池中S_9.3I正極與S正極的電化學性能。? 2024 Springer Nature

圖3. 25?°C下，Li-S_9.3I電池中S_9.3I正極的工作機理。? 2024 Springer Nature

圖4. 重熔融修復Li-S_9.3I電池中S_9.3I正極與LPS固體電解質界面。? 2024 Springer Nature

3.【科學啟迪】

針對固態Li-S電池硫正極材料電導率低、電極/電解質界面接觸不良的關鍵科學問題，本工作從正極硫的晶體結構調控出發，設計制備了兼具高導電性、固態界面可修復的S_9.3I正極材料。正極中碘元素的引入，促進了電化學過程中多硫化鋰的生成，也有效提升了固態Li-S電池的電化學性能，組裝的全固態Li-S電池在循環400次后仍有87%的容量保留率，展現出良好的循環穩定性。

其中，相比于高導電性，可自修復性固態電極/電解質界面的實現，對固態Li-S電池和固態電池的發展具有更為重要的推動意義，有望解決困擾固態電池實用化發展的重大技術難題。

原文詳情：Zhou, et al. Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li–S batteries, Nature (2024). https://www.nature.com/articles/s41586-024-07101-z。