日前，清華大學(xué)化工系教授張強領(lǐng)銜的團隊在鋰電池聚合物電解質(zhì)研究領(lǐng)域取得重要進展，為開發(fā)實用化的高安全性、高能量密度固態(tài)鋰電池提供了新思路與技術(shù)支撐，相關(guān)成果已在線發(fā)表于《自然》。

固態(tài)電池（SSBs）作為下一代能源存儲技術(shù)，因其高于傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和安全性而備受關(guān)注。但是，當(dāng)下固態(tài)電池在實際應(yīng)用過程中仍面臨兩大難題：一是“固-固”材料之間因剛性接觸導(dǎo)致的界面接觸差；二是電解質(zhì)難以在寬電壓窗口下同時兼容高電壓正極與強還原性負(fù)極的極端化學(xué)環(huán)境。

結(jié)合高容量（>250mAh/g）的富鋰錳基層狀氧化物（LRMO）正極、無負(fù)極電池設(shè)計及聚合物電解質(zhì)，整體能量密度可提升至>600Wh/kg。然而，LRMO在高電壓下（>4.5V）會發(fā)生不可逆的陰離子氧化反應(yīng)和界面氧逃逸，導(dǎo)致氧流失和電解質(zhì)催化分解，進而引起界面退化、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題。此外，傳統(tǒng)的聚醚基聚合物電解質(zhì)氧化穩(wěn)定性差，限制了鋰離子傳輸動力學(xué)，進一步加劇了LRMO/電解質(zhì)界面的不穩(wěn)定性。因此，解決LRMO與固態(tài)電解質(zhì)之間的界面不穩(wěn)定問題，是實現(xiàn)高能量密度、高安全性固態(tài)電池的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

對此，清華大學(xué)張強教授、趙辰孜助理研究員設(shè)計了一種內(nèi)置型氟聚醚基準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)（FPE-SPE），通過強溶劑化的聚醚單體與弱溶劑化的氟烴側(cè)鏈共聚，構(gòu)建了陰離子富集的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而在正極和負(fù)極表面形成陰離子衍生的富氟界面層（CEI/SEI）。得益于優(yōu)化的界面性能，采用該電解質(zhì)組裝的富鋰錳基聚合物電池表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的電化學(xué)性能 —— 有效增強了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力，顯著提升了鋰電池的耐高壓性能和界面穩(wěn)定性?；谠撾娊赓|(zhì)構(gòu)建的8.96Ah聚合物軟包全電池在施加1MPa外壓下，能量密度實現(xiàn)跨越式提升，達到604Wh/kg，遠超當(dāng)下商業(yè)化電池。

研究人員首先展示了使用傳統(tǒng)聚醚（PE）基聚合物電解質(zhì)時，LRMO正極在高電壓下所面臨的界面不穩(wěn)定和氧流失問題（圖1a）；然后詳述了本研究設(shè)計的FPE-SPE如何通過構(gòu)建陰離子富集的溶劑化結(jié)構(gòu)來解決上述問題（圖1b）。核心思想就是通過分子設(shè)計將弱溶劑化氟烴鏈段引入聚合物電解質(zhì)，將溶劑化結(jié)構(gòu)從“陽離子主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣庪x子參與”，進而引導(dǎo)形成一層源自陰離子分解的、富含LiF和Mn-F鍵的穩(wěn)定正極界面層（CEI）。這層界面層是實現(xiàn)高電壓下LRMO正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和可逆氧redox反應(yīng)的關(guān)鍵（圖1）。

圖1. 設(shè)計富含陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)的氟聚醚基聚合物電解質(zhì)的示意圖

此外，該電池在滿充狀態(tài)下順利通過針刺與120攝氏度熱箱（靜置6小時）安全測試，未出現(xiàn)燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。未來，該研究成果有望為成熟的固態(tài)電池產(chǎn)品研發(fā)提供重要技術(shù)參考。

另據(jù)武漢大學(xué)消息，該校集成電路學(xué)院楊培華課題組在聚合物固態(tài)電池領(lǐng)域取得新進展。該課題組通過構(gòu)建新型陽離子-兩性離子聚合物電解質(zhì)，為發(fā)展安全、高能量密度的固態(tài)電池提供了新的思路，成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。楊培華課題組創(chuàng)新構(gòu)建陽離子-兩性離子聚合物電解質(zhì)，通過原位聚合離子液體與兩性離子單體實現(xiàn)突破：陽離子基團錨定TFSI-陰離子以提升鋰離子遷移數(shù)，磺酸根基團促進鋰鹽解離并增強傳輸，完美兼顧高遷移數(shù)與高電導(dǎo)率。該電池展現(xiàn)出卓越電化學(xué)穩(wěn)定性，已成功驅(qū)動無人機，為安全、高能量密度固態(tài)電池發(fā)展提供新路徑。

值得一提的是，工業(yè)和信息化部、國家市場監(jiān)督管理總局日前聯(lián)合印發(fā)的《電子信息制造業(yè)2025—2026年穩(wěn)增長行動方案》明確指出，通過國家重點研發(fā)計劃相關(guān)領(lǐng)域重點專項，持續(xù)支持全固態(tài)電池等前沿技術(shù)方向的基礎(chǔ)研究。工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)的《新型儲能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案》也明確將固態(tài)電池列為重點攻關(guān)方向，支持鋰電池、鈉電池向固態(tài)化發(fā)展，并提出2027年前打造3至5家全球龍頭企業(yè)。