中国科学家攻克固态电池两大难题电池更安全、能量密度更高

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2025-09-28 12:37:55 观察者网

清华大学化工系张强教授团队近期提出了一种“富阴离子溶剂化结构”设计新策略，成功开发出一种新型含氟聚醚电解质。这种电解质构筑了能量密度达604 Wh kg⁻¹的高安全聚合物电池，远高于目前普遍的150~320 Wh kg⁻¹的能量密度，并通过了针刺与120℃高温安全测试。相关研究成果于9月24日在《自然》杂志上发表。

该研究为开发实用化的高安全性、高能量密度固态锂电池提供了新思路和技术支撑。电动汽车、电动飞行器和人形机器人等前沿领域对动力系统提出了高能量、高安全的需求，而固态电池凭借其高能量密度和本征安全潜力被视为下一代二次锂电池的重要发展方向。特别是以富锂锰基层状氧化物作为正极材料的固态电池体系，展现出实现能量密度突破600 Wh kg⁻¹的潜力。

然而，固态电池在实际应用中仍面临两大界面难题：固-固材料之间因刚性接触导致的界面阻抗大，以及电解质在宽电压窗口下难以同时兼容高电压正极与强还原性负极的极端化学环境。例如，聚醚电解质在电压高于4.0 V（vs. Li/Li⁺）时会发生氧化分解，引发持续的界面副反应与性能衰减。传统方法常施加高压或构建多层电解质以改善界面接触与兼容性，但这些方法存在高外压难以维持和复杂结构引入新问题的局限。

针对这些挑战，张强教授团队提出的“富阴离子溶剂化结构”设计新策略，通过热引发原位聚合技术有效增强了固态界面的物理接触与离子传导能力。团队在聚醚电解质中引入强吸电子含氟基团，提升了其耐高压性能，使其可匹配4.7 V高电压富锂锰基正极。基于锂键化学原理，构建了“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”配位结构，诱导形成具有高离子电导率的富阴离子溶剂化结构，在电极表面衍生出富含氟化物的稳定界面层，显著提升了界面稳定性。

采用该电解质组装的富锂锰基聚合物电池表现出优异的电化学性能，首圈库仑效率达91.8%，正极比容量为290.3 mAh g-1，在0.5 C倍率下循环500次后，容量保持率为72.1%。8.96 Ah聚合物软包全电池在施加1 MPa外压下，能量密度达到604 Wh kg⁻¹。相比之下，目前商业化磷酸铁锂储能/动力电芯的能量密度约为150~190 Wh kg⁻¹，镍钴锰酸锂动力电芯能量密度约为240~320 Wh kg⁻¹。

此外，该电池在满充状态下还通过了针刺与120°C热箱（静置6小时）安全测试，无燃烧或爆炸现象，展现出优异的安全性能。这项研究为开发实用化的高安全性、高能量密度固态锂电池提供了新的技术和思路。

(责任编辑：zhangxiaohua)

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