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
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發(fā)布時間：2025-06-06
在當今能源存儲領(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。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，中國科研團隊在全固態(tài)電池技術(shù)上取得了兩項重大突破，為這一領(lǐng)域的未來發(fā)展帶來了新的希望和機遇。玻璃態(tài)電解質(zhì)的創(chuàng)新：開辟新路徑
近期，北京大學深圳研究生院的潘鋒/楊盧奕團隊長期致力于全固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料的研究。此前，團隊在2016-2019年承擔并圓滿完成了“材料基因工程研發(fā)全固態(tài)鋰電池及關(guān)鍵材料”的國家重點研發(fā)專項。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理。這些前期成果為后續(xù)的研究奠定了堅實基礎(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現(xiàn)鋰離子的快速傳輸。這種材料在一維方向有化學鍵連接，而在其他兩個維度方向沒有化學鍵連接，類似于石墨烯的結(jié)構(gòu)。基于這一發(fā)現(xiàn)，團隊利用具有類無機聚合物鏈狀結(jié)構(gòu)的一維ZrCl4基質(zhì)，實現(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，證實了電解質(zhì)的玻璃態(tài)特性，并結(jié)合分子動力學模擬（MD）驗證了獨特的離子傳輸模式。具體而言，解離的Li+與[ZrCl6]八面體配位并沿著ZrCl4鏈快速傳導，表現(xiàn)出與聚合物類似的離子傳輸。同時，ZrCl4的路易斯酸性能夠捕獲陰離子，從而實現(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)出高離子電導率（1.2mS/cm）、寬電化學窗口和低成本，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)計策略還可以拓展到鈉離子導體的合成，制備的1/3Na3PO4@ZrCl4具有0.3 mS/cm的高離子電導率。這一成果不僅為全固態(tài)電池電解質(zhì)的設(shè)計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。與此同時，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的王春陽研究員聯(lián)合國際團隊，在全固態(tài)電池研究中也取得了重大突破。他們將研究重點放在解決全固態(tài)電池短路失效這一阻礙其商業(yè)化應用的關(guān)鍵難題上。團隊創(chuàng)新性地運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)生電化學反應的動態(tài)過程中，實時、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)的短路機制提供了前所未有的技術(shù)手段。通過原位透射電鏡的細致觀察，團隊首次在納米尺度上清晰地揭示了無機固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路-硬短路轉(zhuǎn)變機制，以及背后隱藏的析鋰動力學過程。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)，研究團隊進一步發(fā)揮創(chuàng)新思維，利用三維電子絕緣且具有機械彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，成功開發(fā)出無機/有機復合固態(tài)電解質(zhì)。這種復合電解質(zhì)巧妙地融合了無機材料和有機材料的優(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)的納米尺度失效機理提供了全新的認知視角，更為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供了堅實的理論依據(jù)，有力地推動了更安全、高性能鋰電池的研發(fā)進程。相關(guān)研究成果已于5月20日發(fā)表在《美國化學會會刊》上，為全固態(tài)電池領(lǐng)域的發(fā)展貢獻了重要的科研力量。這兩項研究成果的取得，標志著全固態(tài)電池技術(shù)在理論和實踐上都取得了重大進展。從理論層面來看，失效機制的揭示和玻璃態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計原理的提出，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，計劃2030年實現(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900 Wh/L，計劃2028年應用于無人機市場。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，寧德時代預計到2027年有望實現(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年推出主要應用于混合動力領(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)取得了顯著進展，但其商業(yè)化應用仍面臨一些挑戰(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一步研究，以實現(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；通過完善電池標準和規(guī)范，推動全固態(tài)電池的商業(yè)化應用。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)展提供強大的動力支持。
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