鋰電池續航與安全不可兼得難題被破解

本報北京10月4日電（記者鄧暉） 當前，電動汽車、電動飛行器、人形機器人等前沿領域對動力系統提出了高能量、高安全需求，開發兼具高能量密度和優異安全性能的電池器件已成為當前儲能領域的核心挑戰。記者從清華大學獲悉，該校化工系張強教授團隊成功開發出一種新型含氟聚醚電解質，構築出能量密度達604 Wh kg-1的高安全聚合物電池，解開了鋰電池續航與安全不可兼得的難題。該研究為開發實用化的高安全性、高能量密度固態鋰電池提供了新思路與技術支撐。相關成果日前在線發表於國際期刊《自然》。

固態電池憑藉其高能量密度和安全潛力被廣泛視為鋰電池的重要發展方向，尤其是以富鋰錳基層狀氧化物作為正極材料的固態電池體系展現出實現能量密度突破600 Wh kg-1的潛力。然而固態電池在實際應用過程中仍面臨兩大難題：固—固材料之間因剛性接觸導致的界面阻抗大，以及電解質在寬電壓窗口下難以同時兼容高電壓正極與強還原性負極的極端化學環境。

研究團隊介紹，在傳統固態電池設計中，常施加高壓（上百個大氣壓）或構建多層電解質，以改善界面接觸與兼容性。然而，高外壓條件在實際器件中難以穩定維持複雜的多層結構，產生多種新問題，限制電池整體性能。如何在避免高外壓和結構複雜化的前提下構建穩定高效的固—固界面，成為該領域的關鍵科學挑戰。

針對以上挑戰，研究團隊提出了“富陰離子溶劑化結構”設計新策略，成功開發出一種新型含氟聚醚電解質。該電解質有效增強了固態界面的物理接觸與離子傳導能力，並顯著提升了界面穩定性。

得益於優化的界面性能，採用該電解質組裝的富鋰錳基聚合物電池表現出優異的電化學性能。基於該電解質構建的8.96安時聚合物軟包全電池在施加1兆帕外壓下，能量密度實現跨越式提升，達到604 Wh kg-1，遠超目前商業化的磷酸鐵鋰儲能/動力電芯、鎳鈷錳酸鋰動力電芯。

在滿充狀態下，該電池還通過了針刺與120℃熱箱（靜置6小時）安全測試，無燃燒或爆炸現象，展現出優異的安全性能。