日本东北大学的研究小组开发出全固体Li-S电池

OFweek 电子工程 网讯：日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构的讲师宇根本笃及教授折茂慎一的研究小组，通过与日本大学金属材料研究所和三菱气体化学公司的共同研究，成功开发出了使用硫(S)正极和金属锂(Li)负极的全固体Li-S电池(图1)。这是利用该研究小组自主开发的将络合氢化物硼氢化锂(LiBH4)用作固体电解质的技术而实现的。

电池的蓄电性能由电极材料的组合来决定。与原来的电池使用的电极相比，S正极和Li负极均拥有10倍以上的理论容量，有可能大幅提高蓄电性能。不过，配备有机电解液的电池采用S正极时，容易出现伴随放电、S正极溶解到有机电解液溶解中的情况，因此在反复充放电后，蓄电性能会显著降低。为了解决这一问题，全球开始研究可替换有机电解液的固体电解质。但能够配备到电池中的固体电解质只有很少一部分。

日本东北大学的研究小组着眼于络合氢化物作为电池用固体电解质的功能性，开发出了基于络合氢化物的新型固体电解质。络合氢化物LiBH4在120℃下显示出了高达2×10-3S/cm的锂离子传导率。通过此次研究，该研究小组成功把LiBH4配备到了电池中。经证实，开发出的全固体Li-S电池反复充放电45次后，蓄电性能也未显著降低，S正极的单位重量能量密度达到1410Wh·kg-1以上，与以前使用的正极材料相比，能够以2～3倍以上的高能量密度稳定工作。

络合氢化物固体电解质用于电池时，与其他无机固体电解质相比有很多优点。首先是能够在构成元素方面选择较轻的元素，因此可实现轻量化;其次，可在大电压范围内实现稳定性，因此能够使用多种电极。络合氢化物容易像蜡那样变形，因此能够利用极简单的方法来制造，只需在室温下单轴加压即可。不过，由于硫是绝缘体，因此要想促进作为电池的反应，还必须使硫和作为导体的碳(C)及电解质之间形成良好的界面。

研究人员使用机械研磨法使C和S组合，获得了两者以纳米级相互高分散的复合粒子(C-S复合粒子)。由于络合氢化物LiBH4容易变形，因此只需向C-S复合粒子与LiBH4粒子的混合物加压，即可高密度形成能够促进电池反应的、稳定的电极/电解质界面，从而制造出具有该界面的正极层(图2)。

此次试制了以这种C-S复合粒子为正极、以金属Li为负极的全固体离子电池，并对其特性进行了测评。结果证实，S正极的单位重量能量密度达到1410Wh·kg-1以上，在120℃的工作温度下能够稳定完成至少45次的反复充放电(图3)。

图1：新开发的全固体Li-S电池的照片。为了便于看清电池的构成，特意将金属Li负极的一部分剥离。

图2：C-S复合粒子/LiBH4正极层截面的场发射扫描电子显微镜图像(a)、S的分布(b)、C的分布(c)。可以看出，在C-S复合粒子的内部，C与S呈相互高分散状态。而且，C-S复合粒子与LiBH4紧贴在一起，形成了良好的接触界面。

图3：全固体Li-S电池的充放电曲线。经证实，S正极的单位重量能量密度在反复20次充放电后保持在1590Wh·kg-1(比容量为820mAhg-1)，在反复45次充放电后仍保持在1410Wh·kg-1(比容量为730mAhg-1)，可实现稳定工作。