锂电池续航与安全不可兼得难题被破解

本报北京10月4日电（记者邓晖） 当前，电动汽车、电动飞行器、人形机器人等前沿领域对动力系统提出了高能量、高安全需求，开发兼具高能量密度和优异安全性能的电池器件已成为当前储能领域的核心挑战。记者从清华大学获悉，该校化工系张强教授团队成功开发出一种新型含氟聚醚电解质，构筑出能量密度达604 Wh kg-1的高安全聚合物电池，解开了锂电池续航与安全不可兼得的难题。该研究为开发实用化的高安全性、高能量密度固态锂电池提供了新思路与技术支撑。相关成果日前在线发表于国际期刊《自然》。

固态电池凭借其高能量密度和安全潜力被广泛视为锂电池的重要发展方向，尤其是以富锂锰基层状氧化物作为正极材料的固态电池体系展现出实现能量密度突破600 Wh kg-1的潜力。然而固态电池在实际应用过程中仍面临两大难题：固—固材料之间因刚性接触导致的界面阻抗大，以及电解质在宽电压窗口下难以同时兼容高电压正极与强还原性负极的极端化学环境。

研究团队介绍，在传统固态电池设计中，常施加高压（上百个大气压）或构建多层电解质，以改善界面接触与兼容性。然而，高外压条件在实际器件中难以稳定维持复杂的多层结构，产生多种新问题，限制电池整体性能。如何在避免高外压和结构复杂化的前提下构建稳定高效的固—固界面，成为该领域的关键科学挑战。

针对以上挑战，研究团队提出了“富阴离子溶剂化结构”设计新策略，成功开发出一种新型含氟聚醚电解质。该电解质有效增强了固态界面的物理接触与离子传导能力，并显著提升了界面稳定性。

得益于优化的界面性能，采用该电解质组装的富锂锰基聚合物电池表现出优异的电化学性能。基于该电解质构建的8.96安时聚合物软包全电池在施加1兆帕外压下，能量密度实现跨越式提升，达到604 Wh kg-1，远超目前商业化的磷酸铁锂储能/动力电芯、镍钴锰酸锂动力电芯。

在满充状态下，该电池还通过了针刺与120℃热箱（静置6小时）安全测试，无燃烧或爆炸现象，展现出优异的安全性能。