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全固態(tài)鋰硫（Li-S）電池（ASSBs）為下一代安全、耐用和高能量密度的電池技術(shù)帶來(lái)了巨大的前景。然而，固態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，并且主要受限于硫、碳和固態(tài)電解質(zhì)的界面三相接觸的影響，這使得實(shí)現(xiàn)硫的高利用率具有挑戰(zhàn)性。

2025年1月6日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)王東海教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Materials發(fā)表題為《Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries》的研究論文，Daiwei Wang為論文第一作者，王東海教授為論文通訊作者。

他，清華本碩，博畢9年獲賓大終身教職，獨(dú)立通訊新發(fā)Nature Materials！

王東海，賓夕法尼亞州立大學(xué)教授。1997年和2000年在清華大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，2006年在杜蘭大學(xué)獲得博士學(xué)位。2006-2009年先后在太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員和科學(xué)家。2009年加入賓夕法尼亞州立大學(xué)，2014年獲得終身副教授。

王東海教授課題組主要研究納米結(jié)構(gòu)材料的廣泛電化學(xué)、機(jī)械和催化性能。他已在Nature Sustain.、Nature Energy、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、J Am Chem Soc、Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Letters、Chem Mater等知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

在這里，作者在硫正極中開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了混合離子-電子導(dǎo)體（MIECs），以取代傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)，并在傳統(tǒng)的三相界面之外在硫-MIEC界面處引發(fā)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

顯微鏡和斷層掃描分析揭示了硫-MIEC邊界處嵌入硫的混合導(dǎo)電域的出現(xiàn)，有助于促進(jìn)活性硫徹底轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i₂S。

因此，Li-S ASSBs的活性硫比率（高達(dá)87.3%）和轉(zhuǎn)化率（>94%）顯著提高，且具有高放電容量（>1,450 mAh?g^–1）和長(zhǎng)循環(huán)壽命（>1,000次循環(huán)）。

該策略還適用于提高其他轉(zhuǎn)化正極的活性材料利用率。

圖1：使用混合離子電子導(dǎo)體（MIEC）的硫正極示意圖

圖2：低硫利用率的本質(zhì)原因

圖3：材料表征

圖4：60°C條件下全固態(tài)Li-S電池的電化學(xué)性能

圖5：S-C-MIEC20正極的表征

綜上，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種混合離子-電子導(dǎo)體（MIECs），用于替代傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)，以克服全固態(tài)鋰硫（Li-S）電池中硫轉(zhuǎn)換反應(yīng)在三相界面的限制，提高硫的利用率和電池性能。這不僅為固態(tài)電池中電極界面的研究提供了新的視角，還提供了一種有效的策略來(lái)克服轉(zhuǎn)換型正極在ASSBs中的界面轉(zhuǎn)換反應(yīng)限制，為開(kāi)發(fā)高能量密度、低成本、長(zhǎng)壽命的ASSBs鋪平了道路。

未來(lái)這項(xiàng)研究有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、大規(guī)模儲(chǔ)能和便攜電子設(shè)備等領(lǐng)域。

Wang, D., Gwalani, B., Wierzbicki, D.et al.?Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries.?Nat. Mater. (2025).?

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