科技部等部门资助，北京大学新型全固态锂硫电池问世！

摘要：近日，北京大学材料科学与工程学院庞全全团队设计合成了系列具有高离子电导率的玻璃相硫化物电解质材料，基于该材料所研制的全固态锂硫电池，实现了快速固固反应速率和高循环稳定性。该研究为发展高比能高安全的下一代动力电池提供了新的技术方案。

近日，北京大学材料科学与工程学院庞全全团队设计合成了系列具有高离子电导率的玻璃相硫化物电解质材料，基于该材料所研制的全固态锂硫电池，实现了快速固固反应速率和高循环稳定性。该研究为发展高比能高安全的下一代动力电池提供了新的技术方案。

该成果以“All-solid-state Li‒S batteries with fast solid‒solid sulfur reaction”为题为发表在Nature上。

庞全表示，快充性能和循环寿命是衡量全固态电池的重要标准。这项研究的突破在于，所开发的新型电解质被赋予了除了导离子本身之外的新功能，通过电解质的化学及结构设计，我们团队引入了含有氧化还原活性的碘元素，从而激活了传统电池中难以进行的两相界面反应，从底层实现快速固固硫反应。这将原本大家一直头疼的电解质充电副反应，通过材料和化学机制设计，转化成了一种反而有益于氧化还原的介导反应。这就好比未来的智能化自动驾驶汽车，在实现代步基本功能前提下，既省去了长途驾驶的舟车劳顿，还能在车内休息。

图1 传统全固态锂硫电池的问题及该研究的快速固固硫转化反应机制

为了解决这一挑战，庞全全团队设计合成了系列新型玻璃相硫化物LBPSI电解质材料(Li2S‒B2S3‒P2S5‒LiI)，该类电解质用于锂硫电池中，不仅作为硫正极内部的超离子导体，而且本身含有氧化还原反应速度超快的碘（I--I2/I3-），对硫的固固转化反应起到氧化还原介导的作用（solid state redox mediating），从而激活原本难以进行的SE|Li2S两相界面反应，显著增加了活性位点的密度，实现快速固固硫反应动力学（图1）。团队利用飞行时间二次离子质谱研究了电池中碘的氧化还原现象，证明了随着电池的充电，正极内部I2和I3-物种显著增加，即氧化产物为I2和I3-。在放电后，与充电状态相比，I2和I3-物种的数量减少，表明可逆的碘氧化还原行为。

基于这种氧化还原介导策略，全固态锂硫电池表现出超快的充电能力。电池在2C倍率下释放出1497mAh g⁻¹的高比容量（以硫质量计算，下同）；即使以20C超高倍率充电时，其容量仍可达到784mAh g⁻¹。此外，原型电池在25°C下，以5C倍率循环25000次后，仍具有80.2%的初始容量，展现出优异的循环稳定性。该研究成果对于全固态锂硫电池的技术发展具有重要的理论指导意义，将极大地推动新体系动力电池的研究进展。