液態(tài)電解質(zhì)的鋰硫電池因其高理論比能量（2600 Wh kg-1）被認(rèn)為是超越鋰離子電池領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的下一代電池技術(shù)。然而，這種電池至今未能實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鋰負(fù)極的可逆循環(huán)，此外它需要高壓制造，并且延展的鋰金屬會(huì)沿著固態(tài)電解質(zhì)顆粒的晶界爬行，導(dǎo)致電池短路。
8月5日，德國(guó)弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所Susanne D?rfler團(tuán)隊(duì)首次提出了一種半固態(tài)概念，結(jié)合了基于硫銀鍺礦的固態(tài)正極和DME/LiFSI/含氟醚基負(fù)極電解液的優(yōu)點(diǎn)，這種顛覆性的方法能夠在電池堆層面實(shí)現(xiàn)超過(guò)600 Wh kg-1的高能量密度。研究人員首先制備了由碳、硫和固體電解質(zhì)組成的正極，通過(guò)球磨處理形成三重相界，以確保正極內(nèi)部的電子和離子通道。使用12 M LiFSI 二甲醚的電解液及鋰金屬作為負(fù)極組裝成半固態(tài)電池。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示所得的正極復(fù)合材料粒徑均勻，具有良好的電化學(xué)特性。循環(huán)伏安法（CV）測(cè)試中均表現(xiàn)出雙峰現(xiàn)象，這驗(yàn)證了半固態(tài)電池設(shè)計(jì)的可行性和潛在優(yōu)勢(shì)。隨后，研究人員探究了液體電解質(zhì)成分的影響，重點(diǎn)比較了兩種不同濃度的LiFSI（4 M 和 12 M）在二甲醚中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)12 M LiFSI電解質(zhì)在兩個(gè)倍率下表現(xiàn)出更高的硫利用率，僅在0.1 C時(shí)出現(xiàn)輕微的過(guò)電位，并且在20個(gè)循環(huán)后容量保持率超過(guò)1400 mAh gS-1，庫(kù)侖效率接近100%。接下來(lái)探討了鹽濃度和稀釋溶劑對(duì)半固態(tài)鋰硫電池電解質(zhì)性能的影響，拉曼光譜分析表明，較高的鹽濃度能有效減少多硫化物的溶解和固體電解質(zhì)（SE）與液態(tài)電解質(zhì)（LE）之間的副反應(yīng)。為了進(jìn)一步評(píng)估LE與SE之間的相互作用，通過(guò)電化學(xué)阻抗譜學(xué)（EIS）分析研究了其電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)使用4 M LiFSI電解質(zhì)的體系由于游離溶劑分子的存在，可能會(huì)導(dǎo)致較厚的SLEI形成，電阻隨時(shí)間增加，而飽和的二甲醚（DME）配位球則能有效防止此類副反應(yīng)的發(fā)生。相比之下，飽和電解質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，且電阻增加較小。最后，將半固態(tài)方法從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的紐扣電池?cái)U(kuò)展到更大規(guī)模的軟包電池。使用DRYtraec技術(shù)成功制備了雙面涂層的正極片。通過(guò)SEM和聚焦離子雙束顯微鏡（FIB-SEM），發(fā)現(xiàn)正極的致密化程度與手工制備的結(jié)果相當(dāng)，但內(nèi)部仍存在一定的孔隙。這些正極片確保了與集流體的良好接觸，適用于全固態(tài)和半固態(tài)電池的測(cè)試。電化學(xué)性能測(cè)試顯示，使用DRYtraec技術(shù)制備的正極在第一次放電時(shí)達(dá)到1400 mAh gS-1，充電時(shí)在2.3 V下達(dá)到了1500 mAh gS-1。此外，使用DRYtraec制造的正極進(jìn)行的長(zhǎng)期循環(huán)性能測(cè)試表明，在100次循環(huán)后，電池的容量保持率仍達(dá)880 mAh gS-1。
圖1 半固態(tài)鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖
本研究報(bào)道了一種創(chuàng)新的鋰硫電池概念，結(jié)合了液態(tài)負(fù)極和固態(tài)正極的優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用于扣式電池和軟包電池。半固態(tài)電池在扣式電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，循環(huán)100次后庫(kù)侖效率（CE）穩(wěn)定在99%以上，超過(guò)了大多數(shù)已報(bào)道的鋰離子電池的循環(huán)數(shù)據(jù)。這一創(chuàng)新性電池設(shè)計(jì)可能實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的鋰硫電池或鋰金屬/鎳錳鈷氧化物（NMC）電池更高的能量密度，能量密度可高達(dá)621 Wh kg-1。
