日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構(gòu)的講師宇根本篤及教授折茂慎一的研究小組，通過與日本大學金屬材料研究所和三菱氣體化學公司的共同研究，成功開發(fā)出了使用硫（S）正極和金屬鋰（Li）負極的全固體Li-S電池（圖1）。這是利用該研究小組自主開發(fā)的將絡(luò)合氫化物硼氫化鋰（LiBH4）用作固體電解質(zhì)的技術(shù)而實現(xiàn)的。
圖1：新開發(fā)的全固體Li-S電池的照片。為了便于看清電池的構(gòu)成，特意將金屬Li負極的一部分剝離。
電池的蓄電性能由電極材料的組合來決定。與原來的電池使用的電極相比，S正極和Li負極均擁有10倍以上的理論容量，有可能大幅提高蓄電性能。不過，配備有機電解液的電池采用S正極時，容易出現(xiàn)伴隨放電、S正極溶解到有機電解液溶解中的情況，因此在反復充放電后，蓄電性能會顯著降低。為了解決這一問題，全球開始研究可替換有機電解液的固體電解質(zhì)。但能夠配備到電池中的固體電解質(zhì)只有很少一部分。
日本東北大學的研究小組著眼于絡(luò)合氫化物作為電池用固體電解質(zhì)的功能性，開發(fā)出了基于絡(luò)合氫化物的新型固體電解質(zhì)。絡(luò)合氫化物LiBH4在120℃下顯示出了高達2×10-3S/cm的鋰離子傳導率。通過此次研究，該研究小組成功把LiBH4配備到了電池中。經(jīng)證實，開發(fā)出的全固體Li-S電池反復充放電45次后，蓄電性能也未顯著降低，S正極的單位重量能量密度達到1410Wh·kg-1以上，與以前使用的正極材料相比，能夠以2～3倍以上的高能量密度穩(wěn)定工作。
圖2：C-S復合粒子/LiBH4正極層截面的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像（a）、S的分布（b）、C的分布（c）。可以看出，在C-S復合粒子的內(nèi)部，C與S呈相互高分散狀態(tài)。而且，C-S復合粒子與LiBH4緊貼在一起，形成了良好的接觸界面。
圖3：全固體Li-S電池的充放電曲線。經(jīng)證實，S正極的單位重量能量密度在反復20次充放電后保持在1590Wh·kg-1（比容量為820mAhg-1），在反復45次充放電后仍保持在1410Wh·kg-1（比容量為730mAhg-1），可實現(xiàn)穩(wěn)定工作。
