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能量密度是鋰離子電池的核心競爭力。傳統(tǒng)的鋰離子電池中包含電解液、3D多孔電極之間粘結(jié)劑和導(dǎo)電添加劑。電極水平的能量密度不僅取決于電偶的理論能量密度(能量密度=平均電壓×比容量)，而且對非活性成分的重量分?jǐn)?shù)也高度敏感。因為存在非電化學(xué)活性部分，在電極水平上的重量/體積能量密度的利用率無法令人滿意。這些電子和離子傳輸網(wǎng)絡(luò)作為不可或缺的組成部分，降低了電池能量密度。

鋰金屬陽極因為無活性添加劑的存在且有較高的能量密度，決定了它是一種突出的代表性電極?？梢钥醋魇且环N“全電化學(xué)”陽極。然而，在陰極方面，電導(dǎo)率不足以及其緩慢的鋰離子擴散系數(shù)限制了全電化學(xué)活性電極AEA的實現(xiàn)。尤其在全固態(tài)鋰電池(ASSLB)中，通常的正極材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于80%。，這會導(dǎo)致該類型電池的電極電化學(xué)化學(xué)比例較低(0.8倍的比容量)。

近日，中國科學(xué)院物理所陳立泉院士、索鎏敏教授、麻省理工學(xué)院Ju Li教授等人提出了一種用于全固態(tài)鋰電池的致密“全電化學(xué)”(AEA)電極，它完全由一系列優(yōu)良的電子-離子-導(dǎo)電混合陰極組成，以最小化電極水平上可獲得的能量密度與理論能量密度之間的能量密度差距。此外，由于AEA陰極自提供離子-電子-導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，致密的硫(S)基AEA電極具有91.8%的壓實填充率。在70°C時，電極水平上的能量密度高達(dá)777Wh kg^?1和1945Wh L^?1(以總陰極和陽極為基準(zhǔn))。

圖1.a-c)AEA電極的概念：a)商用液體鋰離子電池(74.6-83.6wt%陰極，陽極：石墨)；b)傳統(tǒng)ASSLB(80wt%陰極，陽極：Li金屬)；c)建議的AEA-ASSLB(100wt%AEA陰極，陽極：Li金屬)。d、e)各種成分的重量和體積百分比匯總表。
解析：
在常規(guī)的鋰離子陰極中，Li-離子通過電解質(zhì)和來自外部電路的電解質(zhì)和電子來到陰極并在三相界面（碳/電解質(zhì)/電活性物質(zhì)）上反應(yīng)。然而，在我們所提出的AEA電極中的一體化活性電極上，一體化活性電極可提供鋰離子和電子傳輸，其活性物質(zhì)重量和體積百分比可以增加至100％和89％（孔隙率為11％）。為了實現(xiàn)我們的想法，理想的AEA候選者應(yīng)該具有快速的鋰離子運輸性（替代電解質(zhì)），高電子電導(dǎo)率（導(dǎo)電添加劑的替代品），以及豐富的鋰儲存部位（電化學(xué)活性容量）。此外，理想的候選者將具有穩(wěn)定的固定結(jié)構(gòu)，具有低的離子和電子電導(dǎo)率波動。

圖2.AEA-ASSLB的概念驗證：a) AEA材料的電子電導(dǎo)率與現(xiàn)有的導(dǎo)電碳添加劑和傳統(tǒng)陰極進(jìn)行比較。b)用恒電位間歇滴定技術(shù)測定了AEA材料的鋰離子擴散系數(shù)，并與現(xiàn)有的傳統(tǒng)陰極和典型的SSE進(jìn)行了比較。c，d)Li0.1TiS2和LiMo6S8基AEA陰極的恒流放電-電荷分布。e)它們在0.1C/70°C下的相應(yīng)循環(huán)穩(wěn)定性。
解析：
選擇了晶體過渡金屬硫化物層狀結(jié)構(gòu)的TiS2和MO6S8，它們不僅具有非常穩(wěn)定的宿主結(jié)構(gòu)，而且具有高電子電導(dǎo)率。其電子電導(dǎo)率數(shù)量級高于典型的陰極材料與商用導(dǎo)電碳（Super P）相當(dāng)。另外，MO6S8和TiS2具有1.8-9.8×10-8和8×10-9至9×10-10cm2s-1的高鋰離子擴散系數(shù)。

圖3. a,b) 基于LMS的AEA陰極的電化學(xué)機制：a) LixMo6S8（x = 0, 1, 3, 4）的鋰離子擴散系數(shù)和能帶隙，b) AEA Mo6S8電極的孔隙率與施加壓力的關(guān)系。c) 基于LMS的AEA陰極的原位XRD分析和伴隨著充放電曲線的相變過程。
解析：
LMS-AEA電極處理第一循環(huán)中的多相變換的階梯式電化學(xué)反應(yīng)可以分為四個階段。在階段I和II期間，由于具有高擴散系數(shù)DLi的LixMo6S8（x = 1,3,4），Li濃度的增加促進(jìn)了AEA電極中的鋰離子輸送。高鋰濃度相在去鋰化期間逐漸轉(zhuǎn)化為低相（Li4-Li3-Li1）。在階段IV的末端，主要由形成的Li0組成的離子封閉間隔層，因為這是鋰自由但離子隔離的相，其在電極電解質(zhì)的界面上形成阻隔了電極內(nèi)從Li1 到Li0的進(jìn)一步相變，就像一個特定的“離子開關(guān)”。此時，去鋰化過程被封閉，并在很大程度上保留Li1。

圖4.混合S-LMS-AEA陰極(32.5%S8-67.5%Mo6S8)的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)機理。a)S-LMS-AEA陰極的TEM圖像。b)AEA陰極/LGPS界面的橫截面掃描電鏡圖像和能譜 (EDS)。c)AEA陰極(點1)和LGPS(點2)中P和S元素的能譜分析。d，e)S-LMS-AEA陰極與典型S-C-LGPS陰極的電子電導(dǎo)率、理論體積能量密度和孔隙率的比較。f)S-LMS-AEA陰極的電化學(xué)氧化還原機理。
解析：
為了進(jìn)一步顯示AEA電極的優(yōu)點，嘗試了一種基于雜合（S-LMS）的AEA陰極，因為S陰極具有1,675 mAh g-1的高理論能力，其氧化還原電位比“離子關(guān)閉”的2.45 V低。S8陰極是電子絕緣的，導(dǎo)電LMS用作AEA電極內(nèi)的有效的電子和離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在電極內(nèi)部，小MO6S8納米片是相互互連的，因此構(gòu)造了用于輸送電子/離子的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此外，均勻分散的無定形S8被分布在MO6S8框架中的10-30nm納米域反射，其保證了絕緣S8中所需的電子/離子傳輸。與具有三個單功能（碳/ SSE）的傳統(tǒng)全固態(tài)LI-S陰極（碳/ SSE）形成三相反應(yīng)界面。S-LMS-AEA電極具有91.8％的非常高的壓實填充速率，這是由于軟MO6S8和S8的蠕變，其殘余孔隙率為8.2％允許適應(yīng)體積膨脹。在ESC方面結(jié)合AEA電極的優(yōu)點，估計S-LMS-AEA電極的理論體積密度為3565.3WH L-1，這是相同硫含量的常規(guī)S-C-LGPS（32.5wt％，17.5wt％，50wt％）電極的兩倍。
提出的S-LMS-AEA陰極的電化學(xué)機制：在2.45V以下AEA Mo6S8電極首先將其預(yù)鋰化成LMS，然后再是富含鋰的相（Li1?Li4）。此外，同時，S8陰極經(jīng)歷S?Li2S的轉(zhuǎn)化，輸出1,290mAh g-1的比容量)。高ESC值電極的重量能量密度和體積能量密度分別為905.5 Wh kg?1和2778Wh L?1。

圖5.高能量密度AEA-ASSLB的策略。a-c)混合S-LMS(32.5%S8-67.5%Mo6S8)與Li、LTO-LMS(40%Li4Ti5O12-60%Mo6S8)與Li、S-LMS與Li-In合金陽極的典型充放電曲線。d)S-LMS正極AEA電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
解析：
混合S-LMS-AEA陰極具有以下顯著優(yōu)點：
1)電極由100%的電化學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成，沒有任何非活性物質(zhì)，從而在電極水平上最大化陰極容量。
2)LMS陰極的電子/離子一體化導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)避免了碳/電解質(zhì)/硫三相反應(yīng)界面的不平衡和不均勻反應(yīng)，有利于提高電極的動能。
3)AEA陰極和SSE都屬于硫族，它們具有很高的親和力，具有很好的相容性。
4)AEA陰極的彈性特性緩解了S8/Li2S在循環(huán)過程中的體積膨脹。
5）原則上，LMS-AEA陰極具有很強的通用性，可以與其他氧化還原電位低于2.45V的活性材料結(jié)合使用。

      提出了一種新的AEA ALL-SSE的概念，它具有優(yōu)良的電子/離子混合導(dǎo)體，可以替代炭黑和電極中的電解質(zhì)。根據(jù)我們的AEA原理和篩選標(biāo)準(zhǔn)，選擇了LTS和LMS為基礎(chǔ)的AEA電極，因為它們具有高的電子電導(dǎo)率、高的離子擴散系數(shù)和穩(wěn)定的儲鋰性能。在這些AEA電極中，實測值與理論值之間的電極水平上的能量密度間隙被盡可能地橋接并最小化。更重要的是，由于AEA陰極材料自提供的離子/電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，它可以與大容量的硫陰極相結(jié)合，在電極水平上構(gòu)成能量密度超過770W h kg?1和1900W h L?1的混合S-LMS基AEA陰極。我們相信，在未來，無論新材料的發(fā)現(xiàn)如何，AEA電極都將提供一種提高電池能量密度的新手段。此外，有可能通過探索新的AEA候選材料來提高能量密度，這些候選材料具有更高的容量和更高的電壓，可以有效地匹配4V過渡金屬氧化物陰極。