化工系張強團隊合作在固態電池聚合物電解質研究領域取得進展
清華新聞網9月25日電 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重要挑戰。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：第一，固-固材料之間因剛性接觸導致的界面阻抗大；第二，電解質難以在寬電壓窗口下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，早在2011年就已用于電動汽車固態電池的聚醚電解質，其聚合物組分在電壓高于4.0V（vs.Li?/Li）時也會發生氧化分解，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采用施加高壓（上百個大氣壓）或者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，而復雜的多層結構又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。因此，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。
近期，清華大學化工系張強教授團隊提出“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。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。研究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4.7V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，團隊構建了獨特的“–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，進而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。
得益于優化的界面性能，采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：首圈庫侖效率達91.8%，正極比容量為290.3 mAh g?1，在0.5C倍率下循環500次后容量保持率為72.1%。基于該電解質構建的8.96 Ah聚合物軟包全電池在施加1MPa外壓下，能量密度達到604 Wh kg?1。作為對比，目前商業化磷酸鐵鋰儲能/動力電芯能量密度約為150~190 Wh kg?1，鎳鈷錳酸鋰動力電芯能量密度約為240~320 Wh kg?1。本研究通過聚合物電解質創新，實現了4.7V高電壓窗口匹配與低外壓下的緊密電極接觸，推動富鋰錳基聚合物軟包電池能量密度實現跨越式提升。此外，滿充狀態下順利通過針刺與120°C熱箱（靜置6小時）安全測試，未出現燃燒或爆炸現象，展現出優異的安全性能。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。
圖1.研究通過設計含氟聚醚電解質，實現了從分子結構到界面性能的創新：強吸電子基團拓寬了電壓窗口；“–F???Li????O–”鋰鍵配位結構誘導形成富氟界面層，增強穩定性。最終成功構筑出能量密度達604 Wh kg?1的高安全聚合物電池
圖2.基于含氟聚醚電解質的全電池（a）綜合性能卓越：0.5C循環500次容量保持率72.1%（b）；8.96 Ah軟包電池能量密度達604 Wh kg?1（c），且顯著優于其他體系（d）。電池安全性尤為突出，熱失控起始溫度高，順利通過針刺與熱箱測試
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”（Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg?1 lithium batteries）為題，于9月24日在線發表于《自然》（Nature）。
清華大學化工系博士后黃雪妍為論文第一作者，清華大學化工系教授張強、助理研究員趙辰孜為論文通訊作者。論文共同作者還包括清華大學化工系博士后孔偉進，化工系2020級博士生姚楠，化工系2023級博士生雙宗堯，化工系博士后徐攀、孫碩、盧洋、黃文澤，探微書院2021級本科生李錦梁、化工系2023級博士生沈亮、化工系副研究員陳翔、北京理工大學教授黃佳琦、美國康奈爾大學教授林登·阿徹（Lynden A. Archer）。
研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京自然科學基金、中國博士后科學基金、教育部學科突破先導項目、清華大學自主科研計劃項目的支持。
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