清華大學(xué)化工系張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作在固態(tài)電池聚合物電解質(zhì)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】面向電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域?qū)?dòng)力系統(tǒng)提出的高能量、高安全需求，開(kāi)發(fā)兼具高能量密度和優(yōu)異安全性能的電池器件已成為當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。固態(tài)電池憑借其高能量密度和本征安全潛力，被廣泛視為下一代二次鋰電池的重要發(fā)展方向，尤其是以富鋰錳基層狀氧化物作為正極材料的固態(tài)電池體系，展現(xiàn)出實(shí)現(xiàn)能量密度突破600 Wh kg−1的潛力。
 

　　然而，固態(tài)電池在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍面臨兩大界面難題：第一，固-固材料之間因剛性接觸導(dǎo)致的界面阻抗大；第二，電解質(zhì)難以在寬電壓窗口下同時(shí)兼容高電壓正極與強(qiáng)還原性負(fù)極的極端化學(xué)環(huán)境。例如，早在2011年就已用于電動(dòng)汽車固態(tài)電池的聚醚電解質(zhì)，其聚合物組分在電壓高于4.0V(vs.Li?/Li)時(shí)也會(huì)發(fā)生氧化分解，引發(fā)持續(xù)的界面副反應(yīng)與性能衰減，制約了其進(jìn)一步發(fā)展。
 

　　在傳統(tǒng)固態(tài)電池設(shè)計(jì)中常采用施加高壓(上百個(gè)大氣壓)或者構(gòu)建多層電解質(zhì)以改善界面接觸與兼容性。然而，高外壓條件在實(shí)際器件中難以穩(wěn)定維持，而復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)又會(huì)引入界面阻抗升高、層間匹配困難、離子傳輸不暢等新問(wèn)題，限制電池整體性能。因此，如何在避免高外壓和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的前提下構(gòu)建穩(wěn)定高效的固-固界面，成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。
 

　　近期，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)新策略，成功開(kāi)發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。該電解質(zhì)通過(guò)熱引發(fā)原位聚合技術(shù)，有效增強(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力。研究團(tuán)隊(duì)在聚醚電解質(zhì)中引入強(qiáng)吸電子含氟基團(tuán)，顯著提升了其耐高壓性能，使其可匹配4.7V高電壓富鋰錳基正極，實(shí)現(xiàn)了單一電解質(zhì)對(duì)高電壓正極與金屬鋰負(fù)極的同步兼容。基于鋰鍵化學(xué)原理，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了獨(dú)特的“–F???Li????O–”配位結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)形成具有高離子電導(dǎo)率的富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電極表面衍生出富含氟化物的穩(wěn)定界面層，顯著提升了界面穩(wěn)定性。
 

　　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)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：首圈庫(kù)侖效率達(dá)91.8%，正極比容量為290.3 mAh g−1，在0.5C倍率下循環(huán)500次后容量保持率為72.1%。基于該電解質(zhì)構(gòu)建的8.96 Ah聚合物軟包全電池在施加1MPa外壓下，能量密度達(dá)到604 Wh kg?1。作為對(duì)比，目前商業(yè)化磷酸鐵鋰儲(chǔ)能/動(dòng)力電芯能量密度約為150~190 Wh kg?1，鎳鈷錳酸鋰動(dòng)力電芯能量密度約為240~320 Wh kg?1。本研究通過(guò)聚合物電解質(zhì)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了4.7V高電壓窗口匹配與低外壓下的緊密電極接觸，推動(dòng)富鋰錳基聚合物軟包電池能量密度實(shí)現(xiàn)跨越式提升。此外，滿充狀態(tài)下順利通過(guò)針刺與120°C熱箱(靜置6小時(shí))安全測(cè)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。該研究為開(kāi)發(fā)實(shí)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。
 

　　圖1.研究通過(guò)設(shè)計(jì)含氟聚醚電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了從分子結(jié)構(gòu)到界面性能的創(chuàng)新：強(qiáng)吸電子基團(tuán)拓寬了電壓窗口；“–F???Li????O–”鋰鍵配位結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)形成富氟界面層，增強(qiáng)穩(wěn)定性。最終成功構(gòu)筑出能量密度達(dá)604 Wh kg?¹的高安全聚合物電池
 

　　圖2.基于含氟聚醚電解質(zhì)的全電池(a)綜合性能卓越：0.5C循環(huán)500次容量保持率72.1%(b)；8.96 Ah軟包電池能量密度達(dá)604 Wh kg?¹(c)，且顯著優(yōu)于其他體系(d)。電池安全性尤為突出，熱失控起始溫度高，順利通過(guò)針刺與熱箱測(cè)試
 

　　研究成果以“調(diào)控聚合物電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)600 Wh kg−1鋰電池”(Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg−1 lithium batteries)為題，于9月24日在線發(fā)表于《自然》(Nature)。
 

　　清華大學(xué)化工系博士后黃雪妍為論文第一作者，清華大學(xué)化工系教授張強(qiáng)、助理研究員趙辰孜為論文通訊作者。論文共同作者還包括清華大學(xué)化工系博士后孔偉進(jìn)，化工系2020級(jí)博士生姚楠，化工系2023級(jí)博士生雙宗堯，化工系博士后徐攀、孫碩、盧洋、黃文澤，探微書(shū)院2021級(jí)本科生李錦梁、化工系2023級(jí)博士生沈亮、化工系副研究員陳翔、北京理工大學(xué)教授黃佳琦、美國(guó)康奈爾大學(xué)教授林登·阿徹(Lynden A. Archer)。
 

　　研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、教育部學(xué)科突破先導(dǎo)項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持。