面向電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域?qū)?dòng)力系統(tǒng)提出的高能量、高安全需求，開(kāi)發(fā)兼具高能量密度和優(yōu)異安全性能的電池器件已成為當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。記者從清華大學(xué)獲悉，該?；は祻垙?qiáng)教授團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)，構(gòu)筑出能量密度達(dá)604 Wh kg?1的高安全聚合物電池，解開(kāi)了鋰電池續(xù)航與安全不可兼得的難題。
該研究為開(kāi)發(fā)實(shí)用化的高安全性、高能量密度固態(tài)鋰電池提供了新思路與技術(shù)支撐。相關(guān)成果于日前在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際期刊《自然》。
固態(tài)電池憑借其高能量密度和本征安全潛力被廣泛視為下一代二次鋰電池的重要發(fā)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(tài)電池體系展現(xiàn)出實(shí)現(xiàn)能量密度突破600 Wh kg?1的潛力。然而固態(tài)電池在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍面臨兩大界面難題：固—固材料之間因剛性接觸導(dǎo)致的界面阻抗大，以及電解質(zhì)在寬電壓窗口下難以同時(shí)兼容高電壓正極與強(qiáng)還原性負(fù)極的極端化學(xué)環(huán)境。
研究團(tuán)隊(duì)介紹，在傳統(tǒng)固態(tài)電池設(shè)計(jì)中，常施加高壓（上百個(gè)大氣壓）或構(gòu)建多層電解質(zhì)，以改善界面接觸與兼容性。然而，高外壓條件在實(shí)際器件中難以穩(wěn)定維持復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，會(huì)引入界面阻抗升高、層間匹配困難、離子傳輸不暢等新問(wèn)題，限制電池整體性能。如何在避免高外壓和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的前提下，構(gòu)建穩(wěn)定高效的固—固界面成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)新策略，成功開(kāi)發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。該電解質(zhì)通過(guò)熱引發(fā)原位聚合技術(shù)有效增強(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力。團(tuán)隊(duì)在聚醚電解質(zhì)中引入強(qiáng)吸電子含氟基團(tuán)，顯著提升了其耐高壓性能，并基于鋰鍵化學(xué)原理誘導(dǎo)形成具有高離子電導(dǎo)率的富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，在電極表面衍生出富含氟化物的穩(wěn)定界面層顯著提升了界面穩(wěn)定性。
得益于優(yōu)化的界面性能，采用該電解質(zhì)組裝的富鋰錳基聚合物電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能?；谠撾娊赓|(zhì)構(gòu)建的8.96Ah（安時(shí)）聚合物軟包全電池在施加1MPa（兆帕）外壓下，能量密度實(shí)現(xiàn)跨越式提升，達(dá)到604Wh/kg，遠(yuǎn)超目前商業(yè)化的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能/動(dòng)力電芯、鎳鈷錳酸鋰動(dòng)力電芯。
在滿(mǎn)充狀態(tài)下，該電池還通過(guò)了針刺與120°C熱箱（靜置6小時(shí)）安全測(cè)試，無(wú)燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。
編輯：李華山
