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摘要：研究小组成功开发出一种可实现高能量密度的全固态锂硫二次电池正极，在世界范围内率先显示了超过锂离子电池能量密度的全固态电池的可行性，有望大幅推动全固态电池的研发。

关键字：全固态锂硫二次电池、硫化锂正极、高能量密度、固体电解质耐分解性、高容量负极、薄层固体电解质

要点

●阐明硫化锂正极活性物质与固体电解质耐分解性的关系

●成功开发出含有耐分解性强的固体电解质的硫化锂正极，可实现超越锂离子电池能量密度的全固态锂硫二次电池

●有望将全固态电池的应用扩展到电动汽车、便携式电子设备、飞机等领域

为实现用作新一代蓄电装置的全固态锂硫二次电池，研究小组阐明了硫化锂正极活性物质的容量与固体电解质耐分解性之间的关系，并且基于该机制，成功开发出一种可实现高能量密度的全固态锂硫二次电池的正极。

固体电解质的密度高于液体电解液，因此很难实现单电池能量密度高于传统锂离子电池的全固态电池。本项研究在世界范围内率先显示了超过锂离子电池能量密度的全固态电池的可行性，有望大幅推动全固态电池的研发，进而扩大全固态电池在电动汽车、便携式电子设备以及飞机等领域的应用。

图1.png

图1 正极容量与面积容量的关系。

图中描绘了本研究和过去报告的正极层单位重量的容量与正极层单位面积的容量之间的关系。图中虚线表示这些容量可达到的全固态锂硫二次电池的能量密度，越靠近图的右上方，代表越有可能实现具有高能量密度的全固态锂硫二次电池。

研究背景

作为新一代蓄电池之一的锂硫二次电池，正负极分别由轻质硫和锂构成，由于其理论能量密度高于传统锂离子电池，因此受到全世界的关注。然而，由于理论容量高的硫和硫化锂是绝缘体，因此需要适当地向硫和硫化锂供给电子和锂离子。

本次，研究小组通过开发由硫化锂和碘化锂构成的固溶体，并将其用作全固态锂硫二次电池的正极活性物质，成功实现了与理论容量几乎相同的容量。然而，为了制成具有高能量密度的电池，需要增加电极内无蓄电能力的碘化锂与硫化锂的比例，而电极内硫化锂的增加会导致容量大幅下降。因此，对使用由硫化锂和碘化锂组成的固溶体的正极进行充放电反应机制研究后发现，在充放电过程中，固溶体中的碘化锂发挥了硫化锂内离子传导路径的作用，从而实现了高容量。该结果表明添加到硫化锂中的锂离子导体的性质会影响硫化锂的容量。

研究内容和成果

本研究中，作为电极内硫化锂离子传导路径，添加各种锂离子导体而制作出正极，并研究了锂离子导体的特性与硫化锂容量之间的关系。此外，阐明了耐分解性（锂离子导体的性质）和离子导电性对硫化锂的容量产生巨大影响（图2）。基于该关系，利用研究小组所开发出的具有耐分解性和较高离子电导率的固体电解质，制作出了硫化锂正极。

该正极在迄今为止报告的硫化锂正极中容量最高——将电解质层和锂金属负极设定为理想情况下，则可以实现能量密度约为传统锂离子电池两倍的全固态锂硫二次电池。

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图2：由硫化锂正极、固体电解质层和负极构成的全固态锂硫二次电池（左上）；硫化锂正极由硫化物固体电解质粒子和硫化锂、Li⁺离子导体、由碳组成的纳米复合粒子构成。

结果表明，纳米复合体中Li⁺离子导体的耐分解性（右上）及离子导电性（右下）会影响硫化锂的性能。

未来展望

计划将此次开发的硫化锂正极与研究小组此前开发的薄层固体电解质以及高容量负极相结合，制造出能量密度是锂离子电池两倍的全固态锂硫二次电池。

可实现高能量密度的全固态锂硫二次电池“正极”开发成功！有望实现超越锂离子电池的新一代全固态电池