北大2025首篇Nature：新型固态锂硫电池问世，循环寿命超25000次

IT之家 1 月 22 日消息，随着对高能量密度、长寿命电池的需求不断增加，全固态电池由于具有较高的安全性和比能量，在电动交通等应用中具有很强的竞争力。

北京大学材料科学与工程学院庞全全团队开发了一种具有高离子电导率的新型玻璃相硫化物固态电解质材料，并基于该材料研制出具有优异快充性能和超长循环寿命的全固态锂硫电池。

相关研究成果已于 1 月 16 日以“All-solid-state Li‒S batteries with fast solid‒solid sulfur reaction”为题发表在国际学术期刊《自然》上（IT之家附 DOI:10.1038 / s41586-024-08298-9），北京大学 2025 开年快速集齐 Nature 和 Science。

这种全固态锂硫电池实现了快速固固反应速率和高循环稳定性，为发展高比能、高安全、低成本的下一代动力电池提供了一套新的技术方案。

“快充性能和循环寿命是衡量全固态电池的重要标准。这项研究的突破在于，所开发的新型电解质被赋予了除了导离子本身之外的新功能，通过电解质的化学及结构设计，我们团队引入了含有氧化还原活性的碘元素，从而激活了传统电池中难以进行的两相界面反应，从底层实现快速固固硫反应。”庞全全告诉记者，“这将原本大家一直头疼的电解质充电副反应，通过材料和化学机制设计，转化成了一种反而有益于氧化还原的介导反应。这就好比未来的智能化自动驾驶汽车，在实现代步基本功能前提下，既省去了长途驾驶的舟车劳顿，还能在车内休息。”

“这也使得电池在快充性能上实现突破，相对于现有锂离子电池小时级别充电能力与千次循环寿命，全固态锂硫电池有望实现分钟级快充及万次循环充电。”庞全全表示，该研究所发现的新材料与新机制，对于拓展全固态电池的性能边界具有重要意义，也为全固态锂硫电池技术带来新发展契机。该成果将在下一代汽车动力电池、低空飞行动力、高端电子电池等多个领域产生深远影响。

▲传统全固态锂硫电池的问题及本研究的快速固固硫转化反应机制

为了解决性能和寿命的问题，庞全全团队设计合成了系列新型玻璃相硫化物 LBPSI 电解质材料 (Li2S‒B2S3‒P2S5‒LiI)，该类电解质用于锂硫电池中，不仅作为硫正极内部的超离子导体，而且本身含有氧化还原反应速度超快的碘（I--I2/I3-），对硫的固固转化反应起到氧化还原介导的作用，从而激活原本难以进行的 SE|Li₂S 两相界面反应，显著增加了活性位点的密度，实现快速固固硫反应动力学。

研究团队利用飞行时间二次离子质谱研究了电池中碘的氧化还原现象，证明了随着电池的充电，正极内部 I₂和 I₃⁻物种显著增加，即氧化产物为 I₂和 I₃⁻。在放电后，与充电状态相比，I₂和 I₃⁻物种的数量减少，表明可逆的碘氧化还原行为。

基于这种氧化还原介导策略，全固态锂硫电池表现出超快的充电能力。电池在 2C 倍率下释放出 1497 mAh g⁻¹ 的高比容量（以硫质量计算，下同）；即使以 20 C 超高倍率充电时，其容量仍可达到 784 mA h g⁻¹。

此外，原型电池在 25 °C 下，以 5C 倍率循环 25000 次后，仍具有 80.2% 的初始容量，展现出优异的循环稳定性。该研究成果对于全固态锂硫电池的技术发展具有重要的理论指导意义，将极大地推动新体系动力电池的研究进展。

▲基于 LBPSI 电解质的全固态锂硫电池的常温循环性能。