可充电全固态电池（ASSBs）因其采用的刚性不易燃无机固态电解质（SE），表现出提高安全性和延长寿命的特性。然而，许多转换正极材料存在电子和离子电导率较差的问题：
（1）转换正极材料的电子和离子电导率较差，导致固态转化反应主要发生在ASSBs中的活性材料、碳和SE之间的三相边界上。由于固-固接触性质（如表面积、粒度、刚度和空隙），三相界面接触面积有限，导致电池性能差，活性材料利用率低。
（2）在转换正极中，硫正极具有高理论容量和天然丰富度，但同样受到固态转化反应限制，导致锂-硫（Li-S）ASSB的硫利用率低。硫正极在三相边界也遇到固态转化反应限制，使得Li-S ASSB的能量密度降低。
（3）尽管已有多种方法来解决固态转化反应限制的问题，但未从根本上改变固态转化反应对三相边界的依赖性。由于固态转化反应的限制，即使采用各种促进传输的方法，难以显著提高电池性能和活性材料利用率。
基于此，
美国宾夕法尼亚州立大学王东海教授（通讯作者）等人
开发并实现了硫正极中的混合离子电子导体（MIEC），用以取代传统的固态电解质，并在硫-MIEC界面处引发转化反应，显著提高了Li-S ASSB中的活性硫比率和转化度，实现了高放电容量和长循环寿命。
（1）创新地在硫正极中引入了混合离子电子导体（MIEC），成功地在硫-MIEC界面处引发转化反应，突破了传统三相边界的限制。使用MIEC20且球磨20小时后，在Li-S ASSB中的活性硫比率高达87.3%，转化度超过94%，实现了高放电容量（>1450 mAh/g）和长循环寿命（>1000次循环）。
（2）不仅提出了上述创新方法，还加深了对Li-S ASSB中硫转化反应行为的理解。定量光谱电化学方法和多尺度成像技术为研究硫转化动力学和ASSB中的电极界面提供了有力的工具，为未来的ASSB研究和开发提供了新的视角和方法。
多种高纯度化学物质，包括Li2S、LiI、LiBr、P2S5、TiS2、MoS2、Li6PS5Cl和无水庚烷，被用于合成固体电解质（SE）粉末。合成过程中，对于LPS和MIEC，采用行星球磨机将化学计量的Li2S、P2S5与TiS2或MoS2混合研磨20 h。对于LPSBI，则将Li2S、P2S5、LiBr和LiI粉末在无水庚烷介质中球磨40 h。随后，收集的粉末在真空条件下干燥并退火处理。所有操作均在氩气手套箱中完成。
图1.使用MIEC的硫正极示意图
图2.硫利用率低的根源分析
图3.材料表征
图4. 60 °C下Li-S ASSB的电化学评估
MIEC10和MIEC20表现出稳定的锂化/脱锂过程，且初始放电比容量高于LPS。通过微分容量与电压曲线分析，证实了MIEC在提高硫利用率方面的作用。倍率性能评估表明，S-C-MIEC20在所有电流速率下均表现出更高的比容量。在恒流恒压模式下，S-C-MIEC20电池在1000次循环后容量保持率约为97.6%。GITT测量显示，MIEC20有利于降低锂化过程中的过电位和欧姆降。定量分析表明，S-C-MIEC20正极中的活性硫比例和转化率均高于S-C-LPS。此外，MIEC20还被成功应用于其他高能量密度、成本效益高的转换阴极，证明了该策略的普遍性。
图5. S-C-MIEC20 阴极的后期表征
结果显示，MIEC20保持无定形，且Ti-S单元结构变化具有可逆性，放电产生硫空位，充电部分恢复。多尺度技术研究表明，尽管硫颗粒在S-C-MIEC20正极中部分未受约束，形成微粒，但硫-MIEC双相边界的有效界面面积扩大，提升了硫利用率。STEM-EDS和APT分析揭示了亚微米级和纳米级正极界面的元素分布特征，表明在硫-SE边界处形成了富Ti的贫P Li-P-Ti-S域，促进了界面电子-离子传输，提高了电子/离子电导率。
Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li-S batteries. Nat. Mater., 2025. https://doi.org/10.1038/s41563-024-02057-x.
王东海，宾夕法尼亚州立大学教授。1997、2000年先后在清华大学获得化学工程专业学士和硕士学位。2006年在美国杜兰大学获得博士学位，随后进入太平洋西北国家实验室进行博士后研究。2009加入宾夕法尼亚大学州立大学，2014年获得终身副教授。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等知名期刊发表学术论文。
免责声明：本公众号致力于分享最新科研资讯，相关内容仅供参考学习，所有转载内容，均不代表【科学10分钟】赞同其观点，不能完全保证其真实性。如若本公众号无意侵犯媒体或个人知识产权，请联系【科学10分钟】小编：19113530170，我们将立即予以删除，谢谢。
