续航与安全不可兼得？
两大界面难题被清华团队打破！
电池能量密度从普遍的
150~320 Wh kg⁻1
一跃提升至604 Wh kg⁻1
并通过针刺与120℃高温安全测试
近期
清华大学化工系张强教授团队合作
提出“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
构筑出能量密度达604 Wh kg⁻¹的
高安全聚合物电池
研究成果
以“调控聚合物电解质溶剂化结构
实现600 Wh kg⁻¹锂电池”为题
于9月24日在线发表于《自然》（Nature）
该研究为开发实用化的
高安全性、高能量密度固态锂电池
提供了新思路与技术支撑
如何破解固态电池界面难题？
面向电动汽车、电动飞行器 人形机器人等前沿领域 对动力系统提出的高能量、高安全需求 开发兼具高能量密度 和优异安全性能的电池器件 已成为当前储能领域的核心挑战 固态电池 凭借其高能量密度和本征安全潜力 被广泛视为 下一代二次锂电池的重要发展方向 尤其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过程中 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，聚醚电解质其聚合物组分 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 制约了其进一步发展 在传统固态电池设计中 常施加高压（上百个大气压） 或构建多层电解质 以改善界面接触与兼容性 然而 高外压条件在实际器件中难以稳定维持 复杂的多层结构 会引入界面阻抗升高、层间匹配困难 离子传输不畅等新问题 限制电池整体性能 如何在避免高外压和结构复杂化的前提下 构建稳定高效的固-固界面 成为该领域的关键科学挑战
“电池更安全、能量密度更高” 针对以上挑战 张强教授团队提出了 “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 该电解质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 显著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 实现了单一电解质对高电压正极 与金属锂负极的同步兼容 基于锂键化学原理 团队构建了“–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 研究通过设计含氟聚醚电解质，实现了从分子结构到界面性能的创新：强吸电子基团拓宽了电压窗口；“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”锂键配位结构诱导形成富氟界面层，增强稳定性。最终成功构筑出能量密度达604 Wh kg⁻¹的高安全聚合物电池 得益于优化的界面性能 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 作为对比 目前商业化磷酸铁锂储能/动力电芯 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 基于含氟聚醚电解质的全电池（a）综合性能卓越：0.5 C循环500次容量保持率72.1%（b）；8.96 Ah软包电池能量密度达604 Wh kg⁻¹（c），且显著优于其他体系（d）。热失控起始温度高，顺利通过针刺与热箱测试 在满充状态下 该电池还通过了 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 该研究为开发实用化的 高安全性、高能量密度固态锂电池 提供了新思路与技术支撑
