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全固態(tài)電池技術(shù)新突破，從材料革新到產(chǎn)業(yè)化沖鋒

全固態(tài)電池技術(shù)新突破，從材料革新到產(chǎn)業(yè)化沖鋒

編輯：轉(zhuǎn)自：電子發(fā)燒友 發(fā)布時(shí)間：2025-06-06
在當(dāng)今能源存儲領(lǐng)域，全固態(tài)電池技術(shù)正成為全球科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。作為一種有望取代傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的新型電池技術(shù)，全固態(tài)電池以其更高的安全性、能量密度以及更廣泛的適用性，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。近期，中國科研團(tuán)隊(duì)在全固態(tài)電池技術(shù)上取得了兩項(xiàng)重大突破，為這一領(lǐng)域的未來發(fā)展帶來了新的希望和機(jī)遇。


玻璃態(tài)電解質(zhì)的創(chuàng)新：開辟新路徑

近期，北京大學(xué)深圳研究生院的潘鋒/楊盧奕團(tuán)隊(duì)長期致力于全固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料的研究。此前，團(tuán)隊(duì)在2016-2019年承擔(dān)并圓滿完成了“材料基因工程研發(fā)全固態(tài)鋰電池及關(guān)鍵材料”的國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)。

在這期間，他們創(chuàng)建了固態(tài)鋰電池界面納米潤濕（Nano-wetting）新方法，還揭示了固態(tài)鋰電池臨界電流短路的起因是鋰枝晶在晶界瞬間生長的機(jī)理。這些前期成果為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本次的發(fā)現(xiàn)，具有“一維材料”結(jié)構(gòu)特征的氯化物有望實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速傳輸。這種材料在一維方向有化學(xué)鍵連接，而在其他兩個(gè)維度方向沒有化學(xué)鍵連接，類似于石墨烯的結(jié)構(gòu)。

基于這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)利用具有類無機(jī)聚合物鏈狀結(jié)構(gòu)的一維ZrCl4基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了多種鋰鹽（如LiCl、Li2SO4和Li3PO4）的解離，制備了一系列玻璃態(tài)氯化物電解質(zhì)。

通過差示掃描量熱法（DSC）、原子對分布函數(shù)（PDF）、固態(tài)核磁（ssNMR）、聚焦離子束-透射電鏡（FIB-TEM）等表征手段，證實(shí)了電解質(zhì)的玻璃態(tài)特性，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）驗(yàn)證了獨(dú)特的離子傳輸模式。

具體而言，解離的Li+與[ZrCl6]八面體配位并沿著ZrCl4鏈快速傳導(dǎo)，表現(xiàn)出與聚合物類似的離子傳輸。同時(shí)，ZrCl4的路易斯酸性能夠捕獲陰離子，從而實(shí)現(xiàn)接近1的高鋰離子遷移數(shù)。

這種新型玻璃態(tài)電解質(zhì)在性能上表現(xiàn)出色。1/3Li3PO4@ZrCl4電解質(zhì)表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率（1.2mS/cm）、寬電化學(xué)窗口和低成本，能夠?qū)崿F(xiàn)LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||Li-In電池的長效循環(huán)。

此外，這種設(shè)計(jì)策略還可以拓展到鈉離子導(dǎo)體的合成，制備的1/3Na3PO4@ZrCl4具有0.3 mS/cm的高離子電導(dǎo)率。這一成果不僅為全固態(tài)電池電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，而且為開發(fā)高性能全固態(tài)電池開辟了新的路徑。

失效機(jī)制的揭示：為電池設(shè)計(jì)指明方向

與此同時(shí)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的王春陽研究員聯(lián)合國際團(tuán)隊(duì)，在全固態(tài)電池研究中也取得了重大突破。他們將研究重點(diǎn)放在解決全固態(tài)電池短路失效這一阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難題上。

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地運(yùn)用原位透射電鏡技術(shù)，這一技術(shù)如同給研究人員裝上了一雙“微觀透視眼”，能夠在材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程中，實(shí)時(shí)、直觀地觀察材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化，為深入探究固態(tài)電解質(zhì)的短路機(jī)制提供了前所未有的技術(shù)手段。

通過原位透射電鏡的細(xì)致觀察，團(tuán)隊(duì)首次在納米尺度上清晰地揭示了無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路-硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制，以及背后隱藏的析鋰動(dòng)力學(xué)過程。這一發(fā)現(xiàn)猶如一把鑰匙，為解決全固態(tài)電池的短路問題打開了新的思路。

基于上述重要發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)揮創(chuàng)新思維，利用三維電子絕緣且具有機(jī)械彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，成功開發(fā)出無機(jī)/有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。這種復(fù)合電解質(zhì)巧妙地融合了無機(jī)材料和有機(jī)材料的優(yōu)勢，能夠有效抑制固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部鋰金屬的析出和互連現(xiàn)象，從而避免了由此引發(fā)的短路失效，顯著提升了固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性。

該研究不僅為深入理解固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機(jī)理提供了全新的認(rèn)知視角，更為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，有力地推動(dòng)了更安全、高性能鋰電池的研發(fā)進(jìn)程。相關(guān)研究成果已于5月20日發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)會(huì)刊》上，為全固態(tài)電池領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)了重要的科研力量。

全球加碼固態(tài)電池

這兩項(xiàng)研究成果的取得，標(biāo)志著全固態(tài)電池技術(shù)在理論和實(shí)踐上都取得了重大進(jìn)展。從理論層面來看，失效機(jī)制的揭示和玻璃態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)原理的提出，為全固態(tài)電池的研究提供了新的理論基礎(chǔ)。這些理論成果不僅有助于科研人員更深入地理解全固態(tài)電池的工作原理，而且為未來電池技術(shù)的研究和發(fā)展提供了新的方向和思路。

隨著全固態(tài)電池技術(shù)的不斷突破，全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。全球市場都在加碼固態(tài)電池市場，例如政府投入2000億日元，豐田、本田、日產(chǎn)組建聯(lián)盟，計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)硫化物電池量產(chǎn)，專利數(shù)量全球占比超60%。

而韓國三星SDI開發(fā)出5Ah硫化物全固態(tài)電池，能量密度達(dá)900 Wh/L，計(jì)劃2028年應(yīng)用于無人機(jī)市場。

而中國擁有全球最大鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈、快速迭代的工程化能力，并且國內(nèi)的國軒高科、寧德時(shí)代、億緯鋰能、恩捷股份等企業(yè)，都已經(jīng)在固態(tài)電池上有所突破。例如國軒高科已經(jīng)發(fā)布金石固態(tài)電池，寧德時(shí)代預(yù)計(jì)到2027年有望實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)固態(tài)電池，億緯鋰能則在近期公開透露，公司將于2026年推出主要應(yīng)用于混合動(dòng)力領(lǐng)域的高功率全固態(tài)電池，2028年逐步推出能量密度高達(dá)400Wh/kg的高比能全固態(tài)電池。

盡管全固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但其商業(yè)化應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，全固態(tài)電池的制造成本較高，需要進(jìn)一步降低以提高其市場競爭力；全固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝仍需優(yōu)化，以提高電池的一致性和可靠性。此外，全固態(tài)電池的回收利用問題也需要進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)電池的可持續(xù)發(fā)展。

未來，隨著科研人員的不斷努力和技術(shù)創(chuàng)新，全固態(tài)電池技術(shù)有望在這些方面取得進(jìn)一步突破。通過優(yōu)化電池材料和生產(chǎn)工藝，降低制造成本；通過加強(qiáng)電池回收技術(shù)研發(fā)，提高電池的回收利用率；通過完善電池標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推動(dòng)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。我們有理由相信，全固態(tài)電池技術(shù)將在未來能源存儲領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。

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