以无机固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池安全性问题的同时，有望进一步提升电池的能量密度和循环寿命，符合未来大容量锂二次电池发展的方向。 然而，基于硫化物电解质的固态电池，因金属锂与电解质的兼容性较差使得金属锂无法作为负极使用，导致固态电池的能量密度难以有效提升。
为了解决以上问题，宁波材料所固态锂电池团队姚霞银副研究员领导的小组设计了一种新型的固态电池结构，以高锂离子电导率的Li10GeP2S12和对金属锂稳定的Li7P3S11构建双电解质异质结构，实现了金属锂负极在固态电池中应用，如图1所示。此外，为了避免氧化物正极与硫化物电解质因空间电荷层效应导致的高界面阻抗，首次在全固态锂电池中采用纳米结构的多元金属硫化物Cu2ZnSnS4作为正极活性材料，显著抑制了正极/硫化物电解质界面阻抗；同时复合石墨烯构建电子通道，有效提高其循环稳定性，并显示出优异的倍率性能，在100和1000mA/g电流密度下循环100和300圈仍可分别保持高达544.6和233.9mAh/g的放电比容量。相关工作发表于Energy Storage Mater.，2016, 4, 59-65。
图1 基于金属锂负极的全固态锂电池结构示意图以及电池性能
基于上述全固态锂电池的结构，为应对因电极与固体电解质之间固-固界面有效接触弱以及离子在固体物质中传输动力学低等方面挑战，研究团队与中国科学院物理所、美国马里兰大学合作，从正极层设计出发，选择与硫化物电解质相容性好的过渡金属硫化物作为正极活性物质，并在其表面原位生长纳米尺度硫化物电解质，有效提升固-固界面接触，大大提高了锂离子在固体中的传输动力学，使得全固态锂电池性能获得显著提升。图2为所制备的硫化钴/Li7P3S11电解质复合材料结构示意图，基于该复合材料的全固态锂电池在0.13mA/cm2的电流密度下，能量密度可达360Wh/kg，约是使用钴酸锂正极的全固态电池能量密度的两倍；同时显示出高的功率密度，在12.73mA/cm2的电流密度下，其功率密度高达3823W/kg。此外，在1.27mA/cm2的电流密度下循环1000圈，放电容量为421mAh/g。相关工作发表于Nano Lett.，2016, 16, 7148-7154。
图2 硫化钴/Li7P3S11电解质复合材料结构示意图及电池性能
上述研究工作得到了中科院纳米先导专项（XDA09010201）、国家高技术研究发展计划（863计划，2013AA050906）、国家自然科学基金（51202265，51502317）等项目的支持。