锂硫电池（Li−S）因其超高的理论容量(1675 mA h g−1)、能量密度(2600 W h kg−1)和丰富的自然储量而被认为是最有潜力的下一代电池体系之一。在传统的液态锂硫电池中存在“穿梭效应”，造成活性物质的消耗和低库伦效率等问题。使用无机固态电解质的全固态锂硫电池，可以从根本上解决上述问题的同时，还具有更高的安全性。限制全固态锂硫电池进一步发展的原因主要体现在两方面：一方面，S和Li2S的转换会发生严重的体积膨胀（~80%）；另一方面，S和Li2S均展现出极低的电子/离子电导率、高的反应能垒和较差的动力学性能。采用硫/碳复合材料的策略被广泛用于解决体积膨胀和低电子电导率的问题，为了提升全固态锂硫电池的动力学性能和离子扩散能力，研究人员往往采用硫-过渡金属和有机硫复合正极的策略，但与直接使用S作为活性物质相比，这种方法以牺牲理论容量作为代价。目前，仍然缺乏一种既能改善全固态锂硫电池动力学性能，又保证超高理论容量和能量密度的方案。

全固态锂硫电池界面改性策略及动力学性能提升机理

鉴于此，浙江工业大学材料学院张文魁教授团队黄辉教授等开发了一种简单且效果显著的策略，在硫/科琴黑（S-KB）复合正极中引入LiTFSI（双三氟甲烷磺酰亚胺锂），得到S-KB-LiTFSI复合材料。得益于硫基正极离子电导率和锂离子扩散能力的改善，其首次放电比容量高达1483 mA h g−1。另外，通过HRTEM，XPS和TOF-SIMS等表征技术，作者发现LiTFSI会随着电池循环，在硫基正极内部原位分解形成LiF，Li3N，SO32−和SO42−等相。结合密度泛函理论（DFT）计算，发现LiF和Li3N的锂离子迁移势垒显著低于Li6PS5Cl固态电解质，这表示锂离子在LiF和Li3N中具有更高的迁移能力。另外，Li3N具有高的室温离子电导率（10−3 S cm−1）能作为除Li6PS5Cl外额外的离子通路，LiF，SO32−和SO42−保证了活性物质与固态电解质之间的界面稳定性。因此，在上述协同作用下，以S-KB-LiTFSI为正极的全固态锂硫电池展现出优异的循环稳定性、倍率性能、动力学特性和高的锂离子扩散能力。

相关研究以“In Situ Construction of LiF−Li3N-Rich Interface Contributed to Fast Ion Diffusion in All-Solid-State Lithium−Sulfur Batteries”为题于2024年3月7日发表于国际知名刊物ACS Nano上，浙江工业大学为唯一通讯单位，材料科学与工程学院博士生胡柳益和博士生杨天奇为本文的共同第一作者，黄辉教授和张文魁教授为本文通讯作者。研究得到了国家自然科学基金（U20A20253, 21972127, 21905249），浙江省自然科学基金（LY21E020005, LD22E020006）和浙江省尖兵领雁科技项目（2023C01127）的资助。

张文魁

浙江工业大学教授、博士生导师，材料学院新能源材料与技术研究所所长，入选浙江省万人计划杰出人才。长期从事电化学储能材料及电池产业化技术研究，主持和参与国家自然科学基金、“863”项目、浙江省科技计划、企业合作等项目30余项。在国际知名期刊发表学术论文200余篇，获得国家发明专利授权30余项，省部级科技奖励3项。