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发展高能量、高可靠性的电池技术对于突破“里程焦虑”与“安全焦虑”，提升我国能源互补能力与低碳能源产业链价值具有重要战略意义。作为下一代电池技术的前沿焦点，固态电池使用固体电解质取代易泄漏、易燃易爆的液态电解质，在提升电池能量密度与安全性方面具有得天独厚的优势。但基于氧化物、硫化物等的刚性陶瓷固态电解质易碎，与固态电极界面接触差，固-固界面阻抗大，限制了固态电池的应用性能。与无机固态电解质相比，基于高分子网络的聚合物固态电解质具有更好的力学性能、可加工性与电极界面相容性，在高性能固态电池创制方面具有独特优势，但其传质受限的固态离子化学环境中的催化效应与机制研究尚属研究甚少的领域。近日，大连理工大学精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授团队与中国科学院大连化学物理研究所刘健研究员合作，运用多谱学原位分析技术，对锂硫电池体系中聚合物固态电解质的失效机制进行了深入研究。发现在聚合物固态电解质中，多硫化物中间体倾向于在电极界面发生不可逆积聚，在阻碍界面电荷与离子输运的同时，通过浓度梯度效应推动多硫化物向聚合物固态电解质体相的外向扩散。与具有自由溶剂化离子环境的液态电解质体系不同，扩散至聚合物固态电解质的传质受限化学环境中以后，多硫化物无法通过歧化/归中途径继续发生化学反应，或扩散返回正极参加电化学反应，这一失活效应与多硫化物的不可逆界面积聚效应协同，使基于聚合物固态电解质的锂硫电池快速失效。基于对这一机制的理解，利用结构明确、具有高催化活性的Ni-N-C单原子结构作为模型催化剂，展示了利用电催化效应调控聚合物固态电解质的界面/体相离子化学环境，抑制多硫化物失活与固态锂硫电池失效之策略的可行性。将这一策略应用于Ah级固态软包锂硫电池，在全电池层面实现了343 Wh kg-1的高能量密度，展现了其在实用化电池制造与性能调控方面的潜力。图1. 聚合物固态电解质和液态电解质中，锂硫电池正极界面与电解质体相化学环境之差异的原位分析。图2. 聚合物固态电解质的传质受限离子化学环境中，单原子催化剂对锂硫电池反应的催化效应原位表征。上述工作近期发表在能源与材料化学领域一流国际学术期刊Advanced Materials，论文第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士生孟祥玉。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金会、大连理工大学的共同资助支持。Diagnosing and Correcting the Failure of Solid-state Polymer Electrolyte for Enhancing Solid-state Lithium-sulfur BatteryXiangyu Meng, Yuzhao Liu, Yanfu Ma, Yash Boyjoo, Jian Liu, Jieshan Qiu, Zhiyu WangAdv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202212039
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