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全固態(tài)鋰電池通常采用包含了電極活性材料、導(dǎo)電子和導(dǎo)離子助劑的復(fù)合電極。不同組分之間在化學(xué)、電化學(xué)和力學(xué)等性能上難以完美匹配從而誘發(fā)多種界面問題，嚴(yán)重惡化電池能量密度和使用壽命。

 

對此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在崔光磊研究員帶領(lǐng)下，由鞠江偉、崔龍飛、張舒博士等開創(chuàng)性設(shè)計出了一種新的均質(zhì)化正極材料 ——Li1.75Ti2(Ge0.25P0.75S3.8Se0.2)3，兼具高離子電導(dǎo)率（0.2 mS cm−1）、高電子電導(dǎo)率（225 mS cm−1）和高放電比容量（250 mA h g−1）。

 

與傳統(tǒng)材料相比，這種材料具有高電導(dǎo)率、高能量密度、長使用壽命等優(yōu)勢，顛覆了全固態(tài)鋰電池復(fù)合正極的范式，從根本上解決了上述難題，制備出兼具高能量密度和長循環(huán)壽命的全固態(tài)鋰電池。

 

▲ 復(fù)合正極和均質(zhì)化正極在充電過程中微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖

這一突破有望讓電子設(shè)備小型化、長續(xù)航的夢想成為現(xiàn)實，相關(guān)研究成果已于 7 月 31 日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然 — 能源》上（IT之家附 DOI:10.1038/s41560-024-01596-6）。

 

該材料的離子和電子電導(dǎo)率高于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料 1000 倍以上，比容量超過目前的高鎳正極材料。同時，該材料在充放電過程中僅發(fā)生 1.2% 的體積形變，低于傳統(tǒng)層狀氧化物正極材料的 50%。

 

高的電導(dǎo)率可確保正極在不添加導(dǎo)電助劑的情況下正常充放電，低的體積形變保證了電池在充放電過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。以 100% 活性材料構(gòu)筑的全固態(tài)鋰電池在 5000 圈循環(huán)后保持初始容量的 80%，其 390 Wh/kg 的高能量密度是目前所報道長循環(huán)全固態(tài)鋰電池的 1.3 倍。

 

官方指出，這項研究對開發(fā)高能量密度、長使用壽命的儲能設(shè)備，為新能源汽車、儲能電網(wǎng)、深海深空裝備等提供安全、耐久的動力源提供了技術(shù)支撐，對開發(fā)新型儲能體系等具有重要意義。