續(xù)航與安全不可兼得？兩大界面難題被清華團(tuán)隊(duì)打破！電池能量密度從普遍的150~320 Wh kg?1一躍提升至604 Wh kg?1，并通過針刺與120℃高溫安全測試。

近期，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作提出“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)新策略，成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)，構(gòu)筑出能量密度達(dá)604 Wh kg?1的高安全聚合物電池。

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”為題，于9月24日在線發(fā)表于《自然》（Nature）。該研究為開發(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

如何破解固態(tài)電池界面難題？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)域的核心挑戰(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)用過程中，仍面臨兩大界面難題：固-固材料之間因剛性接觸導(dǎo)致的界面阻抗大以及電解質(zhì)在寬電壓窗口下難以同時(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，聚醚電解質(zhì)其聚合物組分在電壓高于4.0 V（vs. Li/Li?）時(shí)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，常施加高壓（上百個(gè)大氣壓）或構(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)定維持復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，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題，限制電池整體性能。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)、

“電池更安全、能量密度更高”

針對以上挑戰(zhàn)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)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(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力。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4.7 V高電壓富鋰錳基正極，實(shí)現(xiàn)了單一電解質(zhì)對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“–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)，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。

研究通過設(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。

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(dá)91.8%，正極比容量為290.3 mAh g-1，在0.5 C倍率下循環(huán)500次后容量保持率為72.1%，8.96 Ah聚合物軟包全電池在施加1 MPa外壓下，能量密度達(dá)到604 Wh kg-1。作為對比，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。

基于含氟聚醚電解質(zhì)的全電池（a）綜合性能卓越：0.5 C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）。熱失控起始溫度高，順利通過針刺與熱箱測試。

在滿充狀態(tài)下，該電池還通過了針刺與120°C熱箱（靜置6小時(shí)）安全測試，無燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。

該研究為開發(fā)實(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。

化工系張強(qiáng)教授（左四）團(tuán)隊(duì)合影

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。