清华团队《自然》发文破解固态电池技术瓶颈

电车续航翻倍不是梦！清华大学最新固态电池研究出炉。

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车东西9月28日消息，日前，清华大学化工系张强教授团队拿出固态电池研发最新进展，合作提出“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。

这种材料可以使固态电池实现高达604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的体积能量密度，这些数据几乎是当今最先进商用锂离子电池能量密度的两倍。

目前，该研究已被国际顶级期刊《自然》收录。

▲该篇论文被《自然》收录

在高能量密度的基础上，这款电池的寿命表现和安全性也很好。电池可以实现在超过500次循环后仍保持高容量，且在满电状态下成功通过了针刺测试。

可以说，这项工作为制造实用、安全且具备超高能量密度的电池提供了一份经过验证的科学路线图，有望加速交通运输及更广泛领域的电气化转型进程。

01.解决电池不稳定性，清华大学拿出创新手法

研究显示，这项突破的核心创新在于一种新型的“原位构筑”含氟聚醚基聚合物电解质（FPE-SPE）。

通过对锂离子周围的“溶剂化结构”进行精密调控，研究人员成功解决了长期困扰高容量富锂锰基氧化物（LRMO）正极的关键性界面不稳定性问题。

▲氟聚醚基聚合物电解质的设计原理图

LRMO不仅依赖于传统过渡金属阳离子（如锰、镍、钴）的氧化还原反应来储存电荷，还额外利用了晶格中的氧阴离子参与电荷补偿过程。

因此LRMO是一类具有极高理论比容量的先进正极材料，其容量通常能超过250-300mAh/g。

但是，如此高能量的输出也是一把双刃剑。

通过LRMO材料贡献额外的电池容量也会面临电池不稳定的情况。

这是因为LRMO晶格氧的氧化极易变得不可逆，最终导致氧气的形成与释放，引发结构退化、电压衰减等问题。

可以说，清华大学的这项研究已经克服了这个问题，通过稳定阴离子氧化还原过程本身来打破这个衰减链条，特别是阻止了氧气生成这一不可逆的最终步骤。

论文显示，研究人员采用了一种原位聚合技术，即将液态的单体前驱液注入电池内部，然后通过加热引发聚合反应，使其在电极表面直接形成固态电解质。这种方法具有关键的制造优势：它能够在电解质和电极之间形成无缝、紧密贴合的界面，消除了传统预制固态电解质中常见的孔隙和高界面阻抗问题。

02.能量密度“遥遥领先”，安全性有保障

在解决了电池本身的衰减问题后，电池容量则是面向未来量产的黄金指标。

此次研究中电池的设计方案极具实用性且颇为前沿，采用了高负载的LRMO正极（面容量>8mAh/cm²）、贫电解液设计（电解液与容量比为1.2g/Ah）以及无负极结构（使用铜箔作为负极集流体），这些都是实现高能量密度的关键技术要素。

这种新型材料的无负极软包电池实现了604Wh/kg的重量能量密度和1027Wh/L的体积能量密度。

其能量密度是当今顶级商用电动汽车电池包（约255Wh/kg）的两倍以上，且与QuantumScape等固态电池企业的既定目标（800Wh/L）相比也极具竞争力。

▲PTF-PE-SPE的电化学和安全性能

电池测试中，采用FPE-PE-SPE（即清华大学所研究的新型材料）的电池展现出卓越的长期稳定性，在0.5C倍率下循环500次后，容量保持率仍有72.1% 。相比之下，使用传统PE-SPE电解质的电池仅循环50次后容量就衰减至80%。

▲实验产品和液态电解液热失控温度对比（数据来源：清华大学）

在安全性方面，该电解质的物理形态结合其独特的化学组分（含氟聚合物和TMP增塑剂），赋予了电池内在的阻燃特性。

实验表明，PTF-PE/LiTFSI薄膜本身具有自熄性，而最终的PTF-PE-SPE电解质膜则完全不可燃。

在针刺测试中，满电的FPE-SPE软包电池在被钢针刺穿后，并未发生起火或爆炸，表现出对内部短路的超强耐受性。

03.清华王牌教授带队，深耕电池材料化学

这项研究的背后专家是清华大学长聘教授、博士生导师张强教授。

他曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、中国青年科技奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖、国际电化学会议Tian Zhaowu奖，在2017-2020年连续四年被评为“全球高被引科学家”。

▲清华大学长聘教授、博士生导师张强教授（图源：清华大学）

近年来，他致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂复合结构概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。

04.结论：固态电池量产更进一步

清华大学的这项研究成果，是巧妙材料设计、深刻机理理解与卓越实验验证的完美结合。

通过一种主动设计的聚合物电解质，从根本上解决了LRMO正极的内在不稳定性，该团队为锂电池的性能开启了一个全新的维度。

此次的研究也是一条清晰可见的技术路径，它有力地反驳了锂离子技术已接近其性能天花板的观点，让固态电池离量产更进一步。