王治宇教授团队在新型正极材料分子设计方面取得进展-大连理工大学化工学院（新）

发展高性能电池技术是我国推动“清洁低碳、安全高效”的能源体系变革、实现“碳中和、碳达峰”目标的必由之路。广泛使用的锂离子电池因使用低容量三元氧化物正极，能量密度与安全性均不尽如人意。近年兴起的高能量金属锂电池也因在易燃有机电解液中使用活性极高的金属锂负极，面临严重安全风险。针对以上问题，王治宇、邱介山教授团队在前期工作中，发展了一类不含金属锂、氧等高活性物种、理论容量高达1166 mAh g^-1的新型硫化锂正极，基于其建立了本质安全的高能量电池化学新体系，实现了高能量密度、高安全性、高耐候性的新型“三高”电池创制（Nature Commun.,2014,5, 5002、Adv. Energy Mater.,2017, 1700018、Adv. Funct. Mater.,2019,29, 1905986、Energy Environ. Sci.,2021,14, 2278;Science Advances,2022, eabl8390），突破了现有电池技术之安全性与能量密度“鱼与熊掌不能兼得”的共性技术瓶颈。

在此基础上，王治宇、邱介山教授团队近日在材料与能源科学领域旗舰期刊Advanced Materials发表题为“A High-Energy and Safe Lithium Battery Enabled by Solid State Redox Chemistry in a Fireproof Gel Electrolyte”的研究论文。利用硫化聚合物分子链作为化学模板精细调控硫化锂分子聚集态，将硫化锂正极的结构设计自纳米尺度下延至分子尺度，发展了一类新型分子硫化锂正极材料。此类分子硫化锂正极遵循与常规硫化锂正极截然不同的“固-固”反应机制，杜绝了可溶性多硫化物中间物种的产生与溶解流失，稳定循环2000次后容量保持率>90%，且高度兼容应用于锂离子电池的碳酸酯类电解液与用于锂硫电池的醚类电解液，极大拓宽了基于硫化锂正极的高能量、本质安全电池化学的调控空间。

图1. 分子硫化锂正极“固-固”转化机制的原位表征与理论计算分析

在此基础上，以MXene作为导热剂与阻燃剂，开发了一类耐高温、耐火阻燃的醚-碳酸酯混合聚合物凝胶电解质，在弥补传统聚合物电解质易熔易燃之短板的同时，提升电解质与电极的界面与化学兼容性。基于此类高安全性聚合物凝胶电解质与分子硫化锂正极，创制了循环寿命长达500次，在过热、短路、机械损伤、水浸、火烧等严苛条件下具有高可靠性的新型高能量锂二次电池。本工作融合电极材料精细分子设计与电解质结构设计，实现电池性能与安全性全面内在优化的技术策略，为“三高”新型电池技术的发展提供了新的思路。