清华大学团队突破固态电池技术瓶颈，开发高能量密度聚合物电解质
IT之家 9 月 27 日消息，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。
近期，清华大学张强教授团队提出“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。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。
研究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，团队构建了独特的“–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，进而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。
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%。基于该电解质构建的 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。
▲ 图 1 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。
▲ 图 2 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）。电池安全性尤为突出，热失控起始温度高，顺利通过针刺与热箱测试。
本研究通过聚合物电解质创新，实现了 4.7 V 高电压窗口匹配与低外压下的紧密电极接触，推动富锂锰基聚合物软包电池能量密度实现跨越式提升。此外，满充状态下顺利通过针刺与 120°C 热箱（静置 6 小时）安全测试，未出现燃烧或爆炸现象，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。
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”（Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg−1 lithium batteries）为题，于 9 月 24 日在线发表于《自然》（Nature）期刊。
清华大学化工系博士后黄雪妍为论文第一作者，清华大学化工系教授张强、助理研究员赵辰孜为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金、中国博士后科学基金、教育部学科突破先导项目、清华大学自主科研计划项目的支持。
(来源：新浪科技)
