固態(tài)電池在安全性和能量密度上實現(xiàn)雙提升，距離量產(chǎn)又邁進了一大步。

電車?yán)m(xù)航翻倍不再是夢想！清華大學(xué)公布了最新的固態(tài)電池研究成果。

車東西9月28日消息，日前，清華大學(xué)化工系張強教授團隊在固態(tài)電池研發(fā)上取得新進展，他們合作提出“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計新策略，成功研發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。

這種材料能讓固態(tài)電池實現(xiàn)高達604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的體積能量密度，這幾乎是當(dāng)前最先進商用鋰離子電池能量密度的兩倍。

目前，該研究已被國際頂級期刊《自然》收錄。

▲該篇論文被《自然》收錄

在具備高能量密度的同時，這款電池的使用壽命和安全性表現(xiàn)也十分出色。電池經(jīng)過超過500次循環(huán)后仍能保持高容量，并且在滿電狀態(tài)下成功通過了針刺測試。

可以說，這項研究為制造實用、安全且具有超高能量密度的電池提供了經(jīng)過驗證的科學(xué)路徑，有望加速交通運輸及更廣泛領(lǐng)域的電氣化轉(zhuǎn)型。

01.清華創(chuàng)新手法解決電池不穩(wěn)定性

研究表明，這項突破的核心創(chuàng)新在于一種新型的“原位構(gòu)筑”含氟聚醚基聚合物電解質(zhì)（FPE - SPE）。

研究人員通過精密調(diào)控鋰離子周圍的“溶劑化結(jié)構(gòu)”，成功解決了長期困擾高容量富鋰錳基氧化物（LRMO）正極的關(guān)鍵性界面不穩(wěn)定性問題。

▲氟聚醚基聚合物電解質(zhì)的設(shè)計原理圖

LRMO不僅依靠傳統(tǒng)過渡金屬陽離子（如錳、鎳、鈷）的氧化還原反應(yīng)來儲存電荷，還利用晶格中的氧陰離子參與電荷補償過程。

因此，LRMO是一類具有極高理論比容量的先進正極材料，其容量通常能超過250 - 300mAh/g。

然而，高能量輸出也是一把雙刃劍。

利用LRMO材料增加電池容量會導(dǎo)致電池不穩(wěn)定。這是因為LRMO晶格氧的氧化極易變得不可逆，最終導(dǎo)致氧氣的形成與釋放，引發(fā)結(jié)構(gòu)退化、電壓衰減等問題。

清華大學(xué)的這項研究克服了這一難題，通過穩(wěn)定陰離子氧化還原過程本身來打破衰減鏈條，尤其阻止了氧氣生成這一不可逆的最終步驟。

論文顯示，研究人員采用原位聚合技術(shù)，將液態(tài)的單體前驅(qū)液注入電池內(nèi)部，通過加熱引發(fā)聚合反應(yīng)，使其在電極表面直接形成固態(tài)電解質(zhì)。這種方法具有重要的制造優(yōu)勢：能在電解質(zhì)和電極之間形成無縫、緊密貼合的界面，消除了傳統(tǒng)預(yù)制固態(tài)電解質(zhì)中常見的孔隙和高界面阻抗問題。

02.能量密度出眾，安全性有保障

解決電池衰減問題后，電池容量成為面向未來量產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。

此次研究的電池設(shè)計方案實用且前沿，采用了高負載的LRMO正極（面容量>8mAh/cm2）、貧電解液設(shè)計（電解液與容量比為1.2g/Ah）以及無負極結(jié)構(gòu)（使用銅箔作為負極集流體），這些都是實現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)要素。

這種新型材料的無負極軟包電池實現(xiàn)了604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的體積能量密度。

其能量密度是當(dāng)今頂級商用電動汽車電池包（約255Wh/kg）的兩倍以上，與QuantumScape等固態(tài)電池企業(yè)的既定目標(biāo)（800Wh/L）相比也頗具競爭力。

▲PTF - PE - SPE的電化學(xué)和安全性能

電池測試中，采用FPE - PE - SPE（即清華大學(xué)所研究的新型材料）的電池展現(xiàn)出卓越的長期穩(wěn)定性，在0.5C倍率下循環(huán)500次后，容量保持率仍有72.1% 。相比之下，使用傳統(tǒng)PE - SPE電解質(zhì)的電池僅循環(huán)50次后容量就衰減至80%。

▲實驗產(chǎn)品和液態(tài)電解液熱失控溫度對比（數(shù)據(jù)來源：清華大學(xué)）

在安全性方面，該電解質(zhì)的物理形態(tài)結(jié)合其獨特的化學(xué)組分（含氟聚合物和TMP增塑劑），賦予了電池內(nèi)在的阻燃特性。

實驗表明，PTF - PE/LiTFSI薄膜本身具有自熄性，而最終的PTF - PE - SPE電解質(zhì)膜則完全不可燃。

在針刺測試中，滿電的FPE - SPE軟包電池被鋼針刺穿后，并未起火或爆炸，表現(xiàn)出對內(nèi)部短路的超強耐受性。

03.清華王牌教授帶隊深耕電池材料化學(xué)

這項研究背后的專家是清華大學(xué)長聘教授、博士生導(dǎo)師張強教授。

他曾獲得國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、教育部青年科學(xué)獎、中國青年科技獎、北京青年五四獎?wù)隆⒂始覍W(xué)會Newton Advanced Fellowship、清華大學(xué)劉冰獎、國際電化學(xué)會議Tian Zhaowu獎，在2017 - 2020年連續(xù)四年被評為“全球高被引科學(xué)家”。

近年來，他致力于將國家重大需求與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，面向能源存儲和利用的重大需求，重點研究鋰硫電池的原理和關(guān)鍵能源材料。他提出了鋰硫電池中的鋰鍵化學(xué)、離子溶劑復(fù)合結(jié)構(gòu)概念，并根據(jù)高能電池需求，研制出復(fù)合金屬鋰負極、碳硫復(fù)合正極等多種高性能能源材料，構(gòu)筑了鋰硫軟包電池器件。

04.結(jié)論：固態(tài)電池量產(chǎn)更進一步

清華大學(xué)的這項研究成果，是巧妙材料設(shè)計、深刻機理理解與卓越實驗驗證的完美結(jié)合。

通過主動設(shè)計的聚合物電解質(zhì)，從根本上解決了LRMO正極的內(nèi)在不穩(wěn)定性，該團隊為鋰電池的性能開啟了全新維度。

此次研究提供了清晰的技術(shù)路徑，有力反駁了鋰離子技術(shù)已接近其性能天花板的觀點，讓固態(tài)電池離量產(chǎn)更近一步。

本文來自微信公眾號“車東西”，作者：Janson，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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