Nature重磅：固态电池，再获突破!

1.【科学背景】

固态锂-硫（Li-S）电池具有成本低、理论能量密度高、原材料来源丰富等优势，非常有望作为动力电池应用于电动汽车中。并且，使用无机固态电解质有助于消除液态Li-S电池中由于中间产物多硫离子“穿梭效应”造成的容量衰减。然而，固态Li-S电池的发展，一直受到正极材料硫的绝缘性和循环过程中大体积变化导致的不良接触界面的困扰，这些问题严重阻碍了电池中不同固体成分之间的电荷转移。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，美国加州大学圣地亚哥分校刘平教授、Shyue Ping Ong教授（通讯作者）等人将分子晶体S_9.3I作为正极引入到固态Li-S电池中。S_9.3I材料在25℃下的电子电导率可以达到5.9×10^-7 S cm^-1，相比单质硫提升了11个数量级。并且，碘的存在促进了电池循环过程中反应性多硫化物的生成，该生成物具有65℃的低熔点，可以通过加热熔融对电极/电解质界面进行修复。因此，在固态Li-S电池中，S_9.3I正极材料可以同时实现高电导率和界面自修复。相关研究成果以“Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li-S batteries”为题发表在最新Nature期刊上。

图1. S_9.3I的结构与性质表征。© 2024 Springer Nature

图2. 固态Li-S电池中S_9.3I正极与S正极的电化学性能。© 2024 Springer Nature

图3. 25 °C下，Li-S_9.3I电池中S_9.3I正极的工作机理。© 2024 Springer Nature

图4. 重熔融修复Li-S_9.3I电池中S_9.3I正极与LPS固体电解质界面。© 2024 Springer Nature

3.【科学启迪】

针对固态Li-S电池硫正极材料电导率低、电极/电解质界面接触不良的关键科学问题，本工作从正极硫的晶体结构调控出发，设计制备了兼具高导电性、固态界面可修复的S_9.3I正极材料。正极中碘元素的引入，促进了电化学过程中多硫化锂的生成，也有效提升了固态Li-S电池的电化学性能，组装的全固态Li-S电池在循环400次后仍有87%的容量保留率，展现出良好的循环稳定性。

其中，相比于高导电性，可自修复性固态电极/电解质界面的实现，对固态Li-S电池和固态电池的发展具有更为重要的推动意义，有望解决困扰固态电池实用化发展的重大技术难题。

原文详情：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。