『锂碲电池』郑州大学 & 宁波东方理工 JACS:超高碲含量低压复合正极,构筑 13000 圈超稳全固态 Li-Te 电池
全固态锂碲（Li-Te）电池兼具高体积容量、高本征电导优势，但实用化仍面临三大核心瓶颈：1）传统固态正极活性物质占比低（通常＜70%），能量密度大幅牺牲；2）固 - 固界面接触差、离子 / 电子传输失衡，需高压栈压力（10–30 MPa）才能正常工作；3）Te 与 Li₂Te 相变体积形变巨大（≈104%），易导致结构粉化、循环快速衰减；4）碲基固态正极反应机理不清晰，缺乏兼顾高载量、高倍率、长寿命的设计策略。实现超高活性物质占比、低压运行、结构抗形变、超快动力学协同，是全固态 Li-Te 电池突破关键。本研究构建Te₉₁@LPSC-350 纳米复合正极：通过高能球磨将≈10 nm Te 域均匀嵌入非晶 LPSC 基质，实现三大突破：碲含量高达91 wt%，兼顾 121 mS cm⁻¹ 高电子电导与嵌锂后 0.1 mS cm⁻¹ 离子电导；纳米限域与非晶电解质缓冲体积形变，电极膨胀仅≈21%，循环后进一步降至≈5%；构建连续离子 - 电子双传导网络，实现 Te⇋Li₂Te 两步可逆转化，无需高压栈、低温仍稳定；实现13000 圈超长循环、21 mAh cm⁻²超高面容量、1100 Wh L⁻¹体积能量密度。Li-In||Te₉₁@LPSC-350 全固态电池在 2.5 MPa 低压下稳定循环，软包电池 200 圈保持 81% 容量。①结构突破：首次实现91 wt% 超高 Te 含量，构建连续双传导网络，打破活性占比与电导平衡难题；②机制突破：揭示Te→LiTe₃→Li₂Te 两步可逆相变，纳米限域显著抑制体积膨胀与结构粉化；③性能突破：13000 圈超稳循环、21 mAh cm⁻² 高面容量、2.5 MPa 低压、-10 ℃低温全适配；④绿色突破：Te 可通过汽化 - 冷凝100% 选择性回收，回收率 98 wt%、纯度 99.8 wt%。图 1 Te 基固态正极设计与优势。(a) 质量 / 体积容量对比；(b) 本征电子电导与嵌锂相离子电导对比；(c) Te₉₁@LPSC-350 复合结构示意图；(d,e) 传统固态正极与本工作复合正极结构差异。1）Te 体积容量达2621 mAh cm⁻³，电子电导≈2000 mS cm⁻¹，远超 S、Se；2）Li₂Te 离子电导比 Li₂S 高≈100 倍，本征动力学更优；3）91 wt% 超高 Te 负载，仅 9 wt% LPSC 即可构建连续离子通路。图 2 Te₉₁@LPSC-350 结构、形貌与界面作用图 2 复合材料结构与形貌表征。(a) 离子 / 电子电导随组分与球磨转速变化；(b) 首圈充放电曲线；(c) XRD 图谱；(d) FIB-SEM 截面；(e) HRTEM；(f) STEM-EDS 元素分布；(g) Te 3d XPS；(h,i) AFM 表面粗糙度与杨氏模量。1）350 rpm 为最优球磨条件，LPSC 完全非晶化、Te 细化至≈10 nm；2）形成Te-S 化学键增强界面结合，提升结构稳定性与离子传输；3）杨氏模量降至 7.1 GPa，柔性提升，有效缓冲体积形变。图 3 电池电化学性能。(a) 长循环稳定性；(b) dQ/dV 曲线；(c) 倍率性能；(d) 5 mA cm⁻² 长循环；(e) 55 mg cm⁻² 超高载量性能；(f) 12.5 mA cm⁻² 超 13000 圈循环；(g) 性能对标；(h) 2.5 MPa 低压软包；(i) -10 ℃低温软包。1）0.25 mA cm⁻² 释放420 mAh g⁻¹理论容量，库仑效率近 100%；2）12.5 mA cm⁻² 稳定13000 圈，容量保持 86%，每圈衰减≈0.0011%；3）55 mg cm⁻² 高载量实现21 mAh cm⁻²超高面容量；4）软包电池2.5 MPa 低压稳定循环 200 圈，容量保持 81%。图 4 反应机理与结构演变。(a) 原始 / 放电 / 充电后 FIB-SEM 截面；(b) 非原位 XRD；(c–e) HRTEM 追踪相变；(f) Li-Te 相图与热力学稳定性；(g) 原位 DRT 与离子电导演化。1）放电遵循Te→LiTe₃→Li₂Te两步相变，充电完全可逆；2）电极厚度膨胀仅≈21%，循环后稳定在≈5%，结构不粉化；3）完全放电后离子电导达0.1 mS cm⁻¹，界面持续活化。图 5 回收机制与可行性分析。(a) 各组分升华温度对比；(b) 汽化 - 冷凝回收装置；(c) TGA 曲线；(d) 回收 Te 的 XRD 与纯度；(e) 综合性能雷达图。1）Te 升华温度（452 ℃）远低于 Li、Al、Cu、LPSC，100% 选择性回收；2）回收率98 wt%，纯度99.8 wt%，循环性能与新 Te 一致；3）兼具高首效、高活性占比、超长循环、高可持续性，综合可行性突出。本研究开创91 wt% 超高碲含量纳米复合正极全新策略，一次性破解全固态 Li-Te 电池四大痛点：1）双传导网络：9 wt% LPSC 即可构建连续离子通路，配合 Te 本征高电导，实现固 - 固快速反应；2）纳米缓冲结构：≈10 nm Te 域 + 非晶 LPSC 基质，将体积膨胀由 104% 降至≈5%；3）低压稳界面：2.5 MPa 超低压力稳定运行，兼容软包与低温（-10 ℃）；4）绿色可回收：汽化 - 冷凝实现 Te 高纯回收，大幅降低成本与环境负荷。该工作建立高载量 - 低压 - 长寿命 - 可回收一体化全固态 Li-Te 电池新范式，为下一代高体积能量密度、超安全、可持续储能提供里程碑方案。Ultrahigh Te-Content Low-Pressure All-Solid-State Li−Te Batteries.Journal of the American Chemical Society, 2026; https://doi.org/10.1021/jacs.5c23309本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
