電動車充電慢、冬天“趴窩”、安全隱患大

等問題如何解決？

傳說中的下一代固態(tài)電池

何時才能商用？

同時實現(xiàn)“快充”和“長壽命”

是固態(tài)電池實用化面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院

康飛宇教授、賀艷兵教授團隊

聯(lián)合天津大學(xué)楊全紅教授團隊聯(lián)合攻關(guān)

為固態(tài)鋰金屬電池

構(gòu)建出外柔內(nèi)剛的梯度結(jié)構(gòu)

如同為鋰金屬負極表面穿上“塑性鎧甲”

為長期困擾行業(yè)的固態(tài)電池界面失效問題

提供了全新解決策略

團隊合影

北京時間10月30日零時

研究成果以

“用于固態(tài)電池的塑性固態(tài)電解質(zhì)界面”

（A ductile solid electrolyte interphase for solid-statebatteries）為題

在線發(fā)表于《自然》（Nature）

Nature 網(wǎng)站論文截圖

固態(tài)電池的“鎧甲”, 為何如此脆弱?

固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和高安全性

被譽為下一代動力電池的發(fā)展方向

在電動汽車和大規(guī)模儲能等方面

具有廣闊的應(yīng)用前景

然而，固態(tài)電池的商業(yè)化

長期受困于固態(tài)電解質(zhì)的低離子電導(dǎo)率

和固態(tài)電解質(zhì)/電極差的固-固界面穩(wěn)定性等難題

導(dǎo)致在大電流密度、低溫等嚴苛工況下

容易發(fā)生界面失效等問題

鋰金屬負極表面?zhèn)鹘y(tǒng)富無機組分固態(tài)電解質(zhì)界面

（下稱“SEI”）

相當于電池的一層保護膜

雖然堅硬，但脆弱

一旦破裂，不僅會拖慢充電速度

更會導(dǎo)致短路等問題

使得固態(tài)電池難以實現(xiàn)低溫和大電流密度下的

長壽命穩(wěn)定循環(huán)

在快充和低溫環(huán)境下壽命急劇縮短

“塑性鎧甲”的研發(fā)

讓固態(tài)電池壽命危機迎來破局點

“讓老百姓用上更安全、更高效的電池”

是團隊的研究初心

康飛宇帶領(lǐng)的能源材料團隊

一直關(guān)注電池安全的課題

近年主要針對本征安全電池開展研究

而作為深耕電池領(lǐng)域20余年的科研工作者

賀艷兵長期致力于固態(tài)電池領(lǐng)域研究

針對上述挑戰(zhàn)

團隊創(chuàng)新性地提出了

“塑性富無機SEI”的設(shè)計理念

開發(fā)出兼具優(yōu)異機械性能

鋰離子傳輸性能

和梯度親鋰/疏鋰特性的新型塑性SEI

大幅度提升了固態(tài)電池

在大電流密度下和低溫下的循環(huán)穩(wěn)定性

塑性SEI的組分篩選及其在固態(tài)電池循環(huán)過程中的作用示意圖

團隊從SEI結(jié)構(gòu)和模型進行源頭創(chuàng)新

將“塑性”特征

作為新型SEI組分篩選的核心指標

并進行了人工智能加速的理論篩選

發(fā)現(xiàn)硫化銀、氟化銀等材料

不僅具備良好的塑性變形能力

還能顯著降低鋰離子的擴散能壘

塑性富無機SEI的結(jié)構(gòu)和組分解析

在塑性SEI目標組分篩選的基礎(chǔ)上

研究團隊設(shè)計了一種含AgNO3添加劑

和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的

有機/無機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

該體系可在固態(tài)電池運行中

將脆性Li2S/LiF組分轉(zhuǎn)化為塑性Ag2S/AgF組分

構(gòu)建出具有外柔內(nèi)剛梯度結(jié)構(gòu)的SEI

這種SEI多層級結(jié)構(gòu)協(xié)同的設(shè)計理念

猶如為鋰金屬負極量身定制了一套

“塑性鎧甲”

既保證了在低溫和大電流密度條件運行過程中

界面層的結(jié)構(gòu)完整性

又實現(xiàn)了高效的離子傳輸

并抑制了副反應(yīng)

同時研究還顯著提升了

復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的體介電性能

構(gòu)筑了高效的鋰離子傳輸通道

實現(xiàn)了鋰離子的快速、均勻沉積反應(yīng)

塑性富無機SEI的優(yōu)異塑性變形能力和機械穩(wěn)定性

“塑性SEI”使固態(tài)電池

展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能

即使在-30℃的低溫環(huán)境中

對稱電池仍能

在5 mA cm–2的電流密度和5 mA h cm–2

面積容量下

穩(wěn)定循環(huán)7000小時以上

該工作開創(chuàng)性地將“塑性”作為特征指標

為解決固態(tài)電池的界面失效問題

提供了全新策略

為新型界面層設(shè)計提供重要理論依據(jù)

對實用化固態(tài)電池研發(fā)具有實用價值

為“快充”與“壽命”難以得兼的問題

找到了新的突破口

研究團隊工作照

本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授、賀艷兵教授、呂偉副教授、侯廷政助理教授和天津大學(xué)楊全紅教授。深圳國際研究生院2025屆博士畢業(yè)生米金碩、2023級碩士生楊俊、2024屆博士畢業(yè)生陳立坤和2022級博士生崔雯渟為論文共同第一作者。其他作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院干林副教授、柳明副教授，東方理工大學(xué)韓兵助理教授，深圳大學(xué)黃妍斐副教授等。

來源｜深圳國際研究生院

攝影｜黃尹思

排版&編輯｜劉子晗

責編｜苑潔

審核｜劉蔚如

清華大學(xué)版權(quán)所有