采用硫化物固態(tài)電解質的固態(tài)電池具有高安全、高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，預計將比現(xiàn)有電池更輕、更持久、更安全、更便宜，因此被認為是下一代動力電池的發(fā)展方向之一，豐田、三星、Solid Power、寧德時代等行業(yè)巨頭對這一前瞻技術也都進行了積極布局。然而，硫化物固態(tài)電解質的界面電荷傳輸困難和界面穩(wěn)定性差等瓶頸問題嚴重制約了電池的安全性、能量密度、循環(huán)壽命和快充性能，導致固態(tài)電池的產業(yè)化仍然面臨各種阻礙。因此，亟需發(fā)展界面高速傳輸和界面穩(wěn)定化等固態(tài)電池關鍵技術，突破上述瓶頸，進而推動硫化物固態(tài)電池早日上市。

青島能源所崔光磊研究員帶領的固態(tài)能源系統(tǒng)中心聚焦動力電池發(fā)展的關鍵，立足前沿，獨辟蹊徑，發(fā)展了多項硫化物固態(tài)電池界面高速傳輸和穩(wěn)定化關鍵技術，取得了一系列重要成果，為解決固態(tài)電池產業(yè)化發(fā)展的難題奠定了研究基礎。2017年，通過仿生模擬設計了一種聚合物導電纖維增韌技術，提高了硫化物電解質的斷裂強度（授權專利：ZL201711198632.3）。2018年，基于剛柔并濟的設計理念，利用聚碳酸亞乙烯酯-Li10SnP2S12超分子化學作用，發(fā)展了原位聚合一體化固態(tài)電池技術，獲得比容量和循環(huán)性能優(yōu)異的LiFe0.2Mn0.8PO4基室溫固態(tài)鋰電池（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 13588-13597）。2019年，在深入認識有機無機復合電解質鋰傳輸機制和構效關系的基礎上，設計了具有三維雙連續(xù)導電相的聚合物-硫化物復合電解質，提出并發(fā)展了離子和電子傳輸通道的原子尺度原位生成技術，實現(xiàn)電子、離子快速傳輸（室溫離子電導率可達10-3 S cm-1數(shù)量級以上），為開發(fā)高安全、高容量、快速充放電的固態(tài)鋰電池提供了有力的技術支撐（專利：201910451384.1；201911342394.8）。

近日，青島能源所崔光磊研究員，馬君副研究員與天津理工大學李超博士、羅俊教授，中國科學院物理研究所谷林研究員合作，采用原位掃描透射電鏡差分相襯成像技術首次實現(xiàn)了鈷酸鋰/硫化物電解質界面鋰離子傳輸?shù)目梢暬芯?，并且通過設計制備具有非連續(xù)分布鈦酸鋇（BaTiO3）納米單晶顆粒的界面結構，證明了一種新型的內建電場和化學勢耦合技術改善界面鋰傳輸?shù)目尚行?，為改善界面鋰離子傳輸和提升電池快充性能提供了新的技術方案（專利：202011101181.9；Nature Communication已接收）。基于上述研究進展，從超分子化學和界面構效關系的角度加深硫化物固態(tài)電池的關鍵科學問題理解，并且為理性設計高能量密度固態(tài)鋰金屬電池和解決其技術瓶頸提供了建設性方案（Adv. Mater. 2019, 31,1902029；Matter 2020, 2, 805-815）。

圖1（a）原位掃描透射電鏡差分相襯成像技術工作原理示意圖；（b）鈷酸鋰/硫化物固態(tài)電解質界面鋰傳輸行為的原位掃描透射電鏡差分相襯成像結果；（c）內建電場和化學勢耦合技術改善界面鋰傳輸機制示意圖。

上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、山東省科學技術廳等項目的支持。（文/圖 馬君 王龍龍）