北京大学材料科学与工程学院庞全全团队开发出一种新型玻璃相硫化物固态电解质材料，并借此研制出性能优异的全固态锂硫电池，具备快充和超长循环寿命。
1月16日，相关研究成果在国际学术期刊《自然》上发表。
庞全全称，新材料与新机制对拓展全固态电池性能边界意义重大，为全固态锂硫电池技术带来新契机，将在多个领域产生深远影响。
随着经济社会的快速发展，全球对高能量密度、长寿命电池的需求不断增加，全固态电池由于具有较高的安全性和比能量，在电动交通等应用中具有很强的竞争力。
其中，全固态锂硫电池由于其高比能量、较少的电解质副反应，及电池充电时不会发生释氧现象，具有更高安全性，能够满足未来动力电池市场的要求。
然而，目前全固态锂硫电池的倍率性能和循环寿命较差，如何让这类电池实现快速且稳定的全固态硫转化反应，是全球科学家共同面临的难题。
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。
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1497 mAh g⁻¹的高比容量(以硫质量计算，下同);即使以20 C超高倍率充电时，其容量仍可达到784 mA h 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。
庞全全表示，“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。”
庞全全告诉记者，“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。”
“这也使得电池在快充性能上实现突破，相对于现有锂离子电池小时级别充电能力与千次循环寿命，全固态锂硫电池有望实现分钟级快充及万次循环充电。”庞全全表示。
该研究所发现的新材料与新机制，对于拓展全固态电池的性能边界具有重要意义，也为全固态锂硫电池技术带来新发展契机。
