​滑铁卢大学EES：界面氧化还原介质用于高性能全固态Li2S电池

基于硫化锂正极的全固态Li-S电池因其既可以提供超过锂离子电池的高理论能量密度又可以设计“无负极”电池，在下一代储能候选者中引起了极大的关注。然而，固态Li₂S正极动力学受到有限的离子和电子传输以及高活化能垒的阻碍。

鉴于此，滑铁卢大学Linda F. Nazar团队开发了一种新型的正极结构设计，其中基于Li₂S/LiVS₂核壳（Li2S芯–LiVS2壳）纳米结构的主体在氧化过程中既能够充当界面氧化还原介质又能够通过电荷载体（Li+和e-）传输通道渗透正极。

具体而言，在初始充电时，LiVS2壳层首先经历到VS2的脱锂作用，因为其具有固有的离子/电子导电性质。

金属VS2作为Li2S的固体-固体界面介质，通过化学氧化后者在VS2/Li2S界面上形成硫并重新形成LiVS2。这种介质的关键特性是其氧化还原电位应接近并略高于活性材料（Li2S）的氧化还原电位。

图1. 全固态Li-S电池的电化学性能

通过采用硫银锗矿固态电解质，固态Li-S电池具有突出性能。该固态Li-S电池在室温下表现出高达3 mA·cm^-2的良好倍率性能，在1 mA·cm^-2的中等电流密度下，循环1000次后保持了近80%的容量。

同时与常规全固态正极中的传统三相边界相比，由核-壳正极结构形成的两相边界在活性材料周围提供了连接良好的电子和离子路径，从而大大改善了混合电子-离子电导率。

因此，在室温下，实际电流密度和活性物质载量分别为1 mA∙cm^-2和4 mg∙cm^-2。在60°C下，可在10 mg∙cm^-2的载量下实现5.3 mAh∙cm^-2的高面容量。这些正极设计方法将为未来全固态Li2S电池的实际改进提供了新的思路。

图2. 高载量下核壳型LVS正极的电化学性能

High-Performance All-Solid-State Li2S Batteries Using an Interfacial Redox Mediator, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/D2EE03297J