液态电解质的锂硫电池因其高理论比能量（2600 Wh kg-1）被认为是超越锂离子电池领域最具有应用前景的下一代电池技术。然而，这种电池至今未能实现对金属锂负极的可逆循环，此外它需要高压制造，并且延展的锂金属会沿着固态电解质颗粒的晶界爬行，导致电池短路。
8月5日，德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所Susanne Dörfler团队首次提出了一种半固态概念，结合了基于硫银锗矿的固态正极和DME/LiFSI/含氟醚基负极电解液的优点，这种颠覆性的方法能够在电池堆层面实现超过600 Wh kg-1的高能量密度。研究人员首先制备了由碳、硫和固体电解质组成的正极，通过球磨处理形成三重相界，以确保正极内部的电子和离子通道。使用12 M LiFSI 二甲醚的电解液及锂金属作为负极组装成半固态电池。扫描电子显微镜（SEM）显示所得的正极复合材料粒径均匀，具有良好的电化学特性。循环伏安法（CV）测试中均表现出双峰现象，这验证了半固态电池设计的可行性和潜在优势。随后，研究人员探究了液体电解质成分的影响，重点比较了两种不同浓度的LiFSI（4 M 和 12 M）在二甲醚中的表现，发现12 M LiFSI电解质在两个倍率下表现出更高的硫利用率，仅在0.1 C时出现轻微的过电位，并且在20个循环后容量保持率超过1400 mAh gS-1，库仑效率接近100%。接下来探讨了盐浓度和稀释溶剂对半固态锂硫电池电解质性能的影响，拉曼光谱分析表明，较高的盐浓度能有效减少多硫化物的溶解和固体电解质（SE）与液态电解质（LE）之间的副反应。为了进一步评估LE与SE之间的相互作用，通过电化学阻抗谱学（EIS）分析研究了其电化学性能。发现使用4 M LiFSI电解质的体系由于游离溶剂分子的存在，可能会导致较厚的SLEI形成，电阻随时间增加，而饱和的二甲醚（DME）配位球则能有效防止此类副反应的发生。相比之下，饱和电解质在长时间内表现出较高的稳定性，且电阻增加较小。最后，将半固态方法从实验室规模的纽扣电池扩展到更大规模的软包电池。使用DRYtraec技术成功制备了双面涂层的正极片。通过SEM和聚焦离子双束显微镜（FIB-SEM），发现正极的致密化程度与手工制备的结果相当，但内部仍存在一定的孔隙。这些正极片确保了与集流体的良好接触，适用于全固态和半固态电池的测试。电化学性能测试显示，使用DRYtraec技术制备的正极在第一次放电时达到1400 mAh gS-1，充电时在2.3 V下达到了1500 mAh gS-1。此外，使用DRYtraec制造的正极进行的长期循环性能测试表明，在100次循环后，电池的容量保持率仍达880 mAh gS-1。
图1 半固态锂硫电池结构示意图
本研究报道了一种创新的锂硫电池概念，结合了液态负极和固态正极的优势，成功应用于扣式电池和软包电池。半固态电池在扣式电池中表现出优异的性能，循环100次后库仑效率（CE）稳定在99%以上，超过了大多数已报道的锂离子电池的循环数据。这一创新性电池设计可能实现比现有的锂硫电池或锂金属/镍锰钴氧化物（NMC）电池更高的能量密度，能量密度可高达621 Wh kg-1。