北京大學龐全全Nature：超快充全固態電池

一、【導讀】

開發全固態電池在信息技術、移動通信和電動汽車等領域發揮著重要作用，其具有高安全性和比能量。其中，基于層狀金屬氧化物（LMO）正極的全固態電池具有廣泛的吸引力，但LMO在高電位下與固態電解質（SE）的不可逆副生反應以及富鎳LMO的化學-機械降解阻礙了其長期穩定性和倍率性能。ASSLSB（全固態鋰硫電池）以其高比能量在原則上可以消除一些這些挑戰，適中的電位不會導致SEs的顯著氧化，也不會在充電時釋放活性氧威脅熱安全，因此有望實現更高的固有安全性，且使用SEs還可以進一步消除液態電解質基Li–S電池中存在的臭名昭著的多硫化物穿梭現象。然而，ASSLSBs一直受到較差的倍率性能和循環壽命的困擾，元素硫和Li₂S的固態-固態-固態反應（SSSRR）非常緩慢。由于這兩種活性材料都是電子絕緣體，反應只能在SE|活性材料|碳的三相邊界處發生。由于三相邊界位點的密度通常遠低于兩相邊界位點的密度，反應在空間上高度受限，挑戰了有效的固-固電荷轉移。通過引入功能添加劑到正極中，如Cu、LiVS₂和改性碳，已經做出了顯著努力，但由“全固三相邊界”挑戰引起的不良動力學問題并未完全解決。此外，使用Li₂S作為活性材料可能會給電極制造帶來技術挑戰。

二、【成果掠影】

在此，北京大學龐全全團隊（通訊作者）展示了使用LBPSI玻璃態固態電解質（GSEs）實現的快速SSSRR和高循環穩定性。與使用額外的電子介導劑不同，電解質本身被配制為含有氧化還原活性碘，使其作為表面氧化還原介導劑促進Li₂S顆粒的氧化。在充電時，SE表面上的碘陰離子可以在SE|C邊界處被電化學氧化為I₂和I₃^?（表示為I₂/I₃^-），隨后化學氧化接觸中的Li₂S。值得注意的是，這種基于SE表面的氧化還原介導過程使得反應可以在SE|Li₂S兩相邊界處發生，否則該邊界是不活躍的，但其數量遠多于所需的SE|Li₂S|C三相邊界。配制的電解質傾向于形成玻璃，這使得碘的可逆氧化還原反應得以實現，而不是持續的SE降解。

基于這一機制，ASSLSB展現出超快充電能力，在2C（30℃）充電時硫的比容量高達1497mAh/g，而在20C時仍可保持784mAh/g。值得注意的是，在 60℃的極端條件下，以150C的倍率充電時，硫的比容量可達432mAh/g。此外，該電池在5C（25℃）下循環25000次后，容量保持率為80.2%，展現出卓越的循環穩定性。

相關研究成果以“All-solid-state Li–S batteries with fast solid–solid sulfur reaction”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.作者展示了通過鋰硫硼磷酸碘化物（LBPSI）玻璃相固體電解質（GSEs）實現的快速SSSRR。基于I^-與I₂/I₃^-之間的可逆氧化還原反應，固體電解質（SE）不僅作為超離子導體，還充當表面氧化還原介質，促進固-固兩相邊界處的緩慢反應，從而大幅增加活性位點的密度。

2.本文制備的電解質傾向于形成玻璃（而非晶體），這使得碘的可逆氧化還原反應得以進行，而不是持續的固體電解質（SE）降解。借助這種氧化還原介導策略，展示了具有出色充電能力（在 30℃下可高達 35C）和循環穩定性的全固態鋰硫電池（ASSLSBs）。

四、【數據概覽】

圖1 固固硫轉化反應機制及電解質表征? 2025 Springer Nature

圖2 全固態鋰硫電池快充性能? 2025 Springer Nature

圖3 氧化還原介質調節機理? 2025 Springer Nature

圖4 全固態鋰硫電池常溫循環性能? 2025 Springer Nature

圖5 全固態鋰硫電池高溫循環性能? 2025 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文通過設計一種本身具有氧化還原活性的電解質來實現在更高 倍率下的Li₂S氧化，該策略本質上通過促進了SE|Li₂S兩相邊界處的電荷轉移，解決了全固態三相邊界挑戰，實現了快速的SSSRR反應和前所未有的快速充電能力。高S/Li₂S轉化效率使得電池在超過25000次循環后仍具有出色的循環穩定性。未來的工作應集中在正極結構工程上，以提高密度和面積負載，并將硫正極與高面積容量的負極相匹配，以加快ASSLSBs的發展。總體而言，所提出的策略可能會解鎖其他因動力學緩慢和可逆性差而至今難以實現的固態轉化化學。

文獻鏈接：“All-solid-state Li–S batteries with fast solid–solid sulfur reaction”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-08298-9）

本文由材料人CYM編譯供稿。