固态锂空气电池/固态锂硫电池等二次电池研究进展

【成果简介】

南京大学现代工程与应用科学学院周豪慎、何平团队应邀在能源材料领域刊物Adv. Energy Mater.上发表题为“Rechargeable Solid-State Li-Air and Li-S Batteries: Materials, Construction and Challenges”的研究进展文章，对目前固态锂空气电池、固态锂硫电池等二次电池领域的研究热点进行了系统地分析、总结和展望。

【图文导读】

图1 固态锂硫电池和固态锂空气电池示意图

(a) 固态锂硫电池示意图；

(b) 固态锂空气电池示意图。

图2 几种晶体结构类型

(a) 钙钛矿型（LLTO）;

(b) NASICON型（LAGP）;

(c) 石榴石型（LLZO）;

(d) thio-LISICON型（LGPS）。

【研究内容】

能源危机以及环境污染问题促进了新能源的开发与利用。能源的存储和利用需要高效的能源转换系统。锂空气电池和锂硫电池因为具有极高的理论比能量受到广泛的关注（锂空气电池为3600 Whkg-1, 锂硫电池为2600 Whkg-1）。然而，目前大多数相关研究中都使用的有机电解液可能引起泄漏、燃烧和爆炸等安全问题。另外，基于金属锂负极的枝晶生长可能造成短路的安全隐患。为解决这些问题，研究者使用无机固态电解质取代有机液态电解质，设计了如图1所示的固态锂空气电池和锂硫电池。固态锂空气、锂硫电池安全性优势突出，避免了有机电解液易燃问题。无机固体电解质具有优秀的机械强度，可以有效阻挡锂枝晶穿刺。另外，在锂硫电池中，固体电解质可以避免“穿梭效应”的产生，从而提高锂硫电池库伦效率和循环寿命性能。对于锂空气电池，固体电解质可以有效保护金属锂负极受到二氧化碳和水气等影响，保证电池的长期使用。

该文首先介绍了4种适合锂离子传导的固体电解质。如图2所示分别为钙钛矿型、NASICON型、石榴石型和thio-LISICON型。接着系统分析各种电解质结构、输运特性，化学和电化学性质，总结了不同电解质在锂空气电池和锂硫电池中的不同应用。接下来，该文介绍了固态锂空气电池和锂硫电池的一些重要的正极材料，归纳了电极材料性能提高的方法。并从微观角度分析了两种固态二次电池的电极反应机理。最后，该文着重分析了固态锂空气电池和锂硫电池在电极-电解质界面方面存在的问题，并指出提高界面输运特性和稳定性的方法。

现代工程与应用科学学院15级博士研究生刘一杰为该文第一作者，何平副教授和周豪慎教授为通信作者。该团队从2012年开始，率先在国内开展固态锂空气电池研究，首次实现了基于Li1+xAlyGe2-y(PO4)3的固态锂空气电池和锂硫电池的设计与制备。此外该团队还将无机-聚合物复合电解质引入到锂空气电池中，显著提高了锂空气电池功率特性和稳定性。（Acs Energy Lett 2017, 2 (6), 1378-1384；Energ Environ Sci 2017, 10 (4), 860-884.）相关研究引起国内外同行的广泛关注与认可，基于这方面的研究基础，该团队连续获得国家重点研发计划课题和基金委重点项目的资助。