化工系張強團隊合作在固態(tài)電池聚合物電解質(zhì)研究領(lǐng)域取得進展
清華新聞網(wǎng)9月25日電 面向電動汽車、電動飛行器、人形機器人等前沿領(lǐng)域?qū)恿ο到y(tǒng)提出的高能量、高安全需求，開發(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)出實現(xiàn)能量密度突破600 Wh kg?1的潛力。
然而，固態(tài)電池在實際應(yīng)用過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兼容高電壓正極與強還原性負極的極端化學(xué)環(huán)境。例如，早在2011年就已用于電動汽車固態(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）時也會發(fā)生氧化分解，引發(fā)持續(xù)的界面副反應(yīng)與性能衰減，制約了其進一步發(fā)展。
在傳統(tǒng)固態(tài)電池設(shè)計中常采用施加高壓（上百個大氣壓）或者構(gòu)建多層電解質(zhì)以改善界面接觸與兼容性。然而，高外壓條件在實際器件中難以穩(wěn)定維持，而復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)又會引入界面阻抗升高、層間匹配困難、離子傳輸不暢等新問題，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)化工系張強教授團隊提出“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計新策略，成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。該電解質(zhì)通過熱引發(fā)原位聚合技術(shù)，有效增強了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力。研究團隊在聚醚電解質(zhì)中引入強吸電子含氟基團，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，實現(xiàn)了單一電解質(zhì)對高電壓正極與金屬鋰負極的同步兼容。基于鋰鍵化學(xué)原理，團隊構(gòu)建了獨特的“–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：首圈庫侖效率達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，能量密度達到604 Wh kg?1。作為對比，目前商業(yè)化磷酸鐵鋰儲能/動力電芯能量密度約為150~190 Wh kg?1，鎳鈷錳酸鋰動力電芯能量密度約為240~320 Wh kg?1。本研究通過聚合物電解質(zhì)創(chuàng)新，實現(xiàn)了4.7V高電壓窗口匹配與低外壓下的緊密電極接觸，推動富鋰錳基聚合物軟包電池能量密度實現(xiàn)跨越式提升。此外，滿充狀態(tài)下順利通過針刺與120°C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。該研究為開發(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。
圖1.研究通過設(shè)計含氟聚醚電解質(zhì)，實現(xiàn)了從分子結(jié)構(gòu)到界面性能的創(chuàng)新：強吸電子基團拓寬了電壓窗口；“–F???Li????O–”鋰鍵配位結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)形成富氟界面層，增強穩(wěn)定性。最終成功構(gòu)筑出能量密度達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，順利通過針刺與熱箱測試
研究成果以“調(diào)控聚合物電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)實現(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、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，化工系2020級博士生姚楠，化工系2023級博士生雙宗堯，化工系博士后徐攀、孫碩、盧洋、黃文澤，探微書院2021級本科生李錦梁、化工系2023級博士生沈亮、化工系副研究員陳翔、北京理工大學(xué)教授黃佳琦、美國康奈爾大學(xué)教授林登·阿徹（Lynden A. Archer）。
研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、教育部學(xué)科突破先導(dǎo)項目、清華大學(xué)自主科研計劃項目的支持。
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