北京大学开发新型全固态锂硫电池 实现超快充与超长寿命

随着全球对高能量密度和长寿命电池需求的不断增长，全固态锂硫电池因其优越的安全性和比能量，逐渐成为电动交通及其他相关领域中的热门选择。2024年1月22日，来自北京大学材料科学与工程学院的研究团队在这一领域取得了重大突破，研制出了一种新型全固态锂硫电池，具备显著的快充性能与超长的循环寿命，为下一代动力电池的发展提供了全新的技术解决方案。

该项研究的核心是新型的玻璃相硫化物固态电解质材料，具有高离子电导率，能够在充电过程中加快离子传输速度。研究团队利用这一材料，不仅解决了传统电池在快充过程中常见的副反应问题，还推动了固固硫反应的速率，极大地提升了电池的整体性能。

相关研究成果已于2024年1月16日发表在国际知名学术期刊《自然》上，标题为“All-solid-state Li‒S batteries with fast solid‒solid sulfur reaction”。这一成果为北京大学在2024年内再度快速聚焦于《自然》和《科学》两大顶尖期刊，奠定了基础，也显示出其在前沿科学研究中的引领地位。

研究团队的核心成员庞全全指出，该新型电解质不仅能够导电，还具备激活传统锂硫电池中难以实现的两相界面反应的能力。这一突破性的设计理念通过在电解质中引入具有氧化还原活性的碘元素，激发了反应过程，形成了一种促进电池快充的有效路径。庞博士形象地比喻，这种技术的进步就像未来的智能化自动驾驶汽车在提供基本功能的同时还能为驾驶者提供舒适的休息空间。

相较于传统锂离子电池需要在几个小时内完成充电和约千次的循环寿命，新研发的全固态锂硫电池有望实现分钟级的快充以及多达万次的循环充电，这样的性能提升将改变用户的用电体验。庞博士强调，这一研究成果对于高比能、高安全性和低成本的下一代动力电池具有重要意义，能够为电动汽车、无人机以及高端电子产品等多个领域带来深远影响。

为了解决全固态锂硫电池的性能和寿命问题，庞全团队设计并合成了一系列新型的玻璃相硫化物LBPSI电解质材料(Li2S‒B2S3‒P2S5‒LiI)。这种电解质不仅能够作为超离子导体以支持硫正极的反应，同时其自身所含的碘元素能够在充放电过程中通过氧化还原反应中介导固相转化反应，显著增强了电池的活性位点密度，提升了反应动力学。

研究团队借助飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）手段对电池中碘的氧化还原现象进行了详细探讨。研究发现，随着电池充电的进行，正极内部的I₂和I₃⁻物种明显增加，而在放电后这些物种的数量又会减少，这揭示了电池内部碘的可逆氧化还原行为，为全固态锂硫电池的优异性能提供了基础。

通过这一氧化还原介导策略，研究团队的全固态锂硫电池在充电能力方面表现出极佳的效果。在2C倍率下，其比容量可高达1497 mAh/g，甚至在20C超高倍率充电时，仍然能够保持784 mAh/g的容量。在25 °C下以5C倍率循环25000次后，原型电池仍具有80.2%的初始容量，展现出卓越的循环稳定性。

北京大学庞全全团队的这一研究成果不仅在理论上对全固态锂硫电池的发展提供了重要指导，也为新型动力电池的研究注入了新的活力和方向。未来，这一新电池体系的应用将极大推动电动交通的普及和发展，创造更清洁、更高效的出行解决方案。随着新技术的不断涌现，我们有理由相信，在不久的将来，电动汽车、无人机等领域将迎来更快速、更持久的能源革命。