在全球氣候變化和環境污染的雙重壓力下，可持續發展已成為人類社會共同的追求目標，發展高比能的電池體系是實現這一目標的關鍵。目前，基于插層正極和石墨負極的鋰離子電池已無法滿足人們對于高比能電池的要求，而基于轉化正極材料硫和金屬鋰負極的鋰-硫電池具有更高的理論比能量，引起了研究人員的廣泛關注。然而，硫正極的放電中間產物多硫化物易溶于有機電解液，可以穿梭到負極與鋰金屬反應，導致鋰金屬負極的腐蝕和電池性能的迅速衰減。除此之外，有機電解液還存在易燃、易揮發、易泄漏的缺點，給電池造成嚴重的安全隱患。用高鋰離子電導率的硫化物固態電解質取代有機電解液可以從根本上解決上述多硫穿梭問題和電池安全性問題。但是硫化物固態電解質與鋰金屬負極兼容性差，嚴重限制了全固態鋰-硫電池的發展。

最近，南京大學現代工學院何平教授和周豪慎教授團隊設計了可用于全固態鋰-硫電池的無碳、無粘結劑的鋰鋁合金負極，匹配硫化物固態電解質Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)和熔融沉積的復合硫正極，實現了全固態鋰-硫電池穩定的循環和在極低負極過量情況下的高比能量。鋰鋁合金的高電子電導率使得無碳負極設計成為可能，避免了碳引起的硫化物固態電解質的分解。另外，鋁良好的延展性和可加工性規避了粘結劑的使用，降低了負極中非活性物質的比例。該研究團隊通過調控合金中鋰和鋁的比例來控制負極的工作電位，保證了合金負極與硫化物電解質之間的兼容性，對稱電池穩定循環超過2500小時。同時，該研究團隊還設計了具有高效電子和離子傳輸通道的復合固態硫正極。以鋰鋁合金為負極的全固態鋰-硫電池在0.2 C倍率下可逆容量達1237 mAh g_S^-1，循環200圈后容量保持率高達93.29%。在高硫載量（3 mg cm^-2）下，電池的可逆面容量達3.458 mAh cm^-2（對應于1149 mAh g_S^-1）并穩定循環超100圈。為了進一步提高電池的比能量，該研究團隊進一步降低負極過量的比例，在負極僅過量0.125倍的情況下，電池的比能量達到了541 Wh kg^-1，顯示出巨大的應用前景。

該工作以“Carbon-free and binder-free Li-Al alloy anode enabling an all-solid-state Li-S battery with high energy and stability”為題，于2022年4月13日發表在國際學術期刊《Science Advances》上（Doi: 10.1126/sciadv.abn4372）。

該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、江蘇省自然科學基金等項目以及固體微結構物理國家重點實驗室和江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室的大力支持。獲 取 更多前沿科技研究 進展訪問：https://byteclicks.com

圖1.（a）以鋰鋁合金為負極的全固態鋰–硫電池示意圖和其工作原理；（b）硫化物固態電解質LGPS的實際電化學窗口示意圖和不同電極材料的工作電位。

圖2.復合固態硫正極表征和基于鋰鋁合金負極的全固態鋰–硫電池的電化學性能。（a）MWCNTs和（b）S@CNTs的透射電子顯微鏡圖（I和Ⅱ）及對應的電子衍射圖（Ⅲ）；全固態鋰–硫電池在0.2C下的（c）循環穩定性測試圖和（d）對應的第1、10、50、100、200圈的充放電曲線圖。

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