車東西（公眾號：chedongxi）
作者 ｜ Janson
編輯 ｜ 志豪

電車?yán)m(xù)航翻倍不是夢！清華大學(xué)最新固態(tài)電池研究出爐。

車東西9月28日消息，日前，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)拿出固態(tài)電池研發(fā)最新進(jìn)展，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)。

這種材料可以使固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)高達(dá)604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的體積能量密度，這些數(shù)據(jù)幾乎是當(dāng)今最先進(jìn)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

在高能量密度的基礎(chǔ)上，這款電池的壽命表現(xiàn)和安全性也很好。電池可以實(shí)現(xiàn)在超過500次循環(huán)后仍保持高容量，且在滿電狀態(tài)下成功通過了針刺測試。

可以說，這項(xiàng)工作為制造實(shí)用、安全且具備超高能量密度的電池提供了一份經(jīng)過驗(yàn)證的科學(xué)路線圖，有望加速交通運(yùn)輸及更廣泛領(lǐng)域的電氣化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

一、解決電池不穩(wěn)定性 清華大學(xué)拿出創(chuàng)新手法

研究顯示，這項(xiàng)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）。

通過對鋰離子周圍的“溶劑化結(jié)構(gòu)”進(jìn)行精密調(diào)控，研究人員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(jì)原理圖

LRMO不僅依賴于傳統(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，還額外利用了晶格中的氧陰離子參與電荷補(bǔ)償過程。

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

但是，如此高能量的輸出也是一把雙刃劍。

通過LRMO材料貢獻(xiàn)額外的電池容量也會面臨電池不穩(wěn)定的情況。

這是因?yàn)長RMO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。

可以說，清華大學(xué)的這項(xiàng)研究已經(jīng)克服了這個問題，通過穩(wěn)定陰離子氧化還原過程本身來打破這個衰減鏈條，特別是阻止了氧氣生成這一不可逆的最終步驟。

論文顯示，研究人員采用了一種原位聚合技術(shù)，即將液態(tài)的單體前驅(qū)液注入電池內(nèi)部，然后通過加熱引發(fā)聚合反應(yīng)，使其在電極表面直接形成固態(tài)電解質(zhì)。這種方法具有關(guān)鍵的制造優(yōu)勢：它能夠在電解質(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。

二、能量密度“遙遙領(lǐng)先” 安全性有保障

在解決了電池本身的衰減問題后，電池容量則是面向未來量產(chǎn)的黃金指標(biāo)。

此次研究中電池的設(shè)計(jì)方案極具實(shí)用性且頗為前沿，采用了高負(fù)載的LRMO正極（面容量>8mAh/cm2）、貧電解液設(shè)計(jì)（電解液與容量比為1.2g/Ah）以及無負(fù)極結(jié)構(gòu)（使用銅箔作為負(fù)極集流體），這些都是實(shí)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(fù)極軟包電池實(shí)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，且與QuantumScape等固態(tài)電池企業(yè)的既定目標(biāo)（800Wh/L）相比也極具競爭力。

▲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(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)驗(yàn)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軟包電池在被鋼針刺穿后，并未發(fā)生起火或爆炸，表現(xiàn)出對內(nèi)部短路的超強(qiáng)耐受性。

三、清華王牌教授帶隊(duì) 深耕電池材料化學(xué)

這項(xiàng)研究的背后專家是清華大學(xué)長聘教授、博士生導(dǎo)師張強(qiáng)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)?、英國皇家學(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”。

▲清華大學(xué)長聘教授、博士生導(dǎo)師張強(qiáng)教授（圖源：清華大學(xué)）

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(diǎn)研究鋰硫電池的原理和關(guān)鍵能源材料。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(fù)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。

結(jié)論：固態(tài)電池量產(chǎn)更進(jìn)一步

清華大學(xué)的這項(xiàng)研究成果，是巧妙材料設(shè)計(jì)、深刻機(jī)理理解與卓越實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完美結(jié)合。

通過一種主動設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)為鋰電池的性能開啟了一個全新的維度。

此次的研究也是一條清晰可見的技術(shù)路徑，它有力地反駁了鋰離子技術(shù)已接近其性能天花板的觀點(diǎn)，讓固態(tài)電池離量產(chǎn)更進(jìn)一步。