續航與安全不可兼得？兩大界面難題被清華團隊打破！

微信公眾號“清華大學”9月27日消息，近期，清華大學化工系張強教授團隊合作，提出“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，構筑出能量密度達604 Wh kg?¹的高安全聚合物電池。

電池能量密度從普遍的150~320 Wh kg^?1一躍提升至604 Wh kg^?1并通過針刺與120℃高溫安全測試。

研究成果以“調控聚合物電解質溶劑化結構實現600 Wh kg?¹鋰電池”為題于9月24日在線發表于《自然》（Nature）。

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。

張強（左三）指導學生

如何破解固態電池界面難題？

面向電動汽車、電動飛行器、人形機器人等前沿領域對動力系統提出的高能量、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。

固態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界面難題。

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。

例如，聚醚電解質其聚合物組分在電壓高于4.0 V（vs. Li/Li?）時，會發生氧化分解，引發持續的界面副反應與性能衰減，制約了其進一步發展。

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。

復雜的多層結構會引入界面阻抗升高、層間匹配困難，離子傳輸不暢等新問題，限制電池整體性能。

如何在避免高外壓和結構復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。

“電池更安全、能量密度更高”

針對以上挑戰，張強教授團隊提出了“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。

該電解質通過熱引發原位聚合技術，有效增強了固態界面的物理接觸與離子傳導能力。

團隊在聚醚電解質中引入強吸電子含氟基團，顯著提升了其耐高壓性能，使其可匹配4.7 V高電壓富鋰錳基正極，實現了單一電解質對高電壓正極與金屬鋰負極的同步兼容。

基于鋰鍵化學原理，團隊構建了“–F???Li????O–”配位結構，誘導形成具有高離子電導率的富陰離子溶劑化結構，在電極表面衍生出富含氟化物的穩定界面層，顯著提升了界面穩定性。