【研究背景】
全球经济的快速增长和能源转型增加了对高比能、高安全和长寿命电池的需求。然而传统锂离子电池体系的能量密度已达极限，电池的发展已进入瓶颈阶段，无法满足当前的需要。因此，研发高能量密度、高安全性和高稳定性的新型电池有助于应对日益增长的大规模储能挑战。回顾过往对碱金属离子电池的研究，具备高容量和高电压的成熟一次电池重新受到研究人员的关注，如锂-氟化碳、锂-碘、锂-二氧化锰和锂-亚硫酰氯等电池体系。特别是锂-亚硫酰氯（Li-SOCl2，3.6V）一次电池，其比能量可超过700 Wh/kg，具有工作温度范围宽(从-60℃到150℃)，储存期间不易自放电（保质期长达20年），放电过程电压稳定等优点，被广泛应用于军工、油气生产和大数据基础设施等领域。
然而，该体系电池充电过程中以Cl2为中间体介导的SOCl2转化路径反应效率低（电池不可逆），且热力学电势差大（能量效率低）。如能阐明其反应机理，提出合理化解决方案，将大幅度提升该体系电池的可逆和高倍率性能，将有望促进700 Wh/kg二次电池技术早日产业化，满足我国在深空、深海等特种条件下的储能需求。
【成果简介】
近日，青岛储能技术研究院在700 Wh/kg二次电池技术路线实现新突破。研究院首席科学家崔光磊研究员带领董杉木研究员、陈国栋博士等人首次对商用SOCl2电池的充电过程进行了深入的探索,详细阐述了各阶段容量贡献的来源和反应机理,并验证了制约电池可逆的关键因素。借助原位光谱和色谱技术，该工作首次在Li-SOCl2电池原生体系中观测到了LiAlCl4·xSO2物相的存在。研究发现该产物非但不会恶化电池的可逆性，反而是实现700 Wh/kg二次电池长期稳定循环的关键组分。这一发现揭示了SOCl2在原生体系存在的新型转化路径。该路径与Cl2介导的传统转化路径截然不同，避免了Cl2的生成与转化所带来的电极腐蚀和活性组分损失问题。在以LiAlCl4·xSO2为中间体介导的新型转化路径下，首次实现了Li-SOCl2电池原生体系的可逆稳定循环（该路径可分别实现10 mA cm-2高电流密度和10 mAh cm-2高面容量下的稳定循环），为开发700 Wh/kg的Li-SOCl2二次电池提供了全新的研究思路，突破了研究院现有700 Wh/kg分子催化技术路线的瓶颈，打破了现有产业界调控正极结构策略的局限。此外，与传统Cl2介导的转化反应相比，这种转化新路径的反应电位更低，为当前开发中的Li-Cl2电池充电平台归属问题（其充电电位远低于Cl2相关的热力学电位）提供了一个新的合理解释：充电反应实际与Cl2无关，而与LiAlCl4·xSO2的转化密切相关。该研究以 “Regulating reversibility of Li-SOCl2 batteries by elucidating intrinsic charging conversion strategy” 为题，发表在Science Bulletin上，研究院首席科学家崔光磊研究员、董杉木研究员为论文通讯作者。相关发现为700 Wh/kg二次电池的开发奠定了理论基础，并为面向产业化的700 Wh/kg凝聚态电池提供了潜在解决方案。
【图文导读】
图1. LiAlCl4·xSO2介导反应的验证、循环性能及机理示意图
