9 月 27 日消息，面向電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域?qū)?dòng)力系統(tǒng)提出的高能量、高安全需求，開發(fā)兼具高能量密度和優(yōu)異安全性能的電池器件已成為當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
近期，清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)新策略，成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。該電解質(zhì)通過熱引發(fā)原位聚合技術(shù)，有效增強(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力。
研究團(tuán)隊(duì)在聚醚電解質(zhì)中引入強(qiáng)吸電子含氟基團(tuán)，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(shí)現(xiàn)了單一電解質(zhì)對高電壓正極與金屬鋰負(fù)極的同步兼容。基于鋰鍵化學(xué)原理，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了獨(dú)特的“–F???Li????O–”配位結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)形成具有高離子電導(dǎo)率的富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電極表面衍生出富含氟化物的穩(wěn)定界面層，顯著提升了界面穩(wěn)定性。
得益于優(yōu)化的界面性能，采用該電解質(zhì)組裝的富鋰錳基聚合物電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：首圈庫侖效率達(dá) 91.8%，正極比容量為 290.3 mAh g−1，在 0.5 C 倍率下循環(huán) 500 次后容量保持率為 72.1%。基于該電解質(zhì)構(gòu)建的 8.96 Ah 聚合物軟包全電池在施加 1 MPa 外壓下，能量密度達(dá)到 604 Wh kg−1。作為對比，目前商業(yè)化磷酸鐵鋰儲(chǔ)能 / 動(dòng)力電芯能量密度約為 150~190 Wh kg−1，鎳鈷錳酸鋰動(dòng)力電芯能量密度約為 240~320 Wh kg−1。
▲ 圖 1 研究通過設(shè)計(jì)含氟聚醚電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了從分子結(jié)構(gòu)到界面性能的創(chuàng)新：強(qiáng)吸電子基團(tuán)拓寬了電壓窗口；“–F???Li????O–”鋰鍵配位結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)形成富氟界面層，增強(qiáng)穩(wěn)定性。最終成功構(gòu)筑出能量密度達(dá) 604 Wh kg?¹ 的高安全聚合物電池。
▲ 圖 2 基于含氟聚醚電解質(zhì)的全電池（a）綜合性能卓越：0.5 C 循環(huán) 500 次容量保持率 72.1%（b）；8.96 Ah 軟包電池能量密度達(dá) 604 Wh kg?¹（c），且顯著優(yōu)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。
本研究通過聚合物電解質(zhì)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了 4.7 V 高電壓窗口匹配與低外壓下的緊密電極接觸，推動(dòng)富鋰錳基聚合物軟包電池能量密度實(shí)現(xiàn)跨越式提升。此外，滿充狀態(tài)下順利通過針刺與 120°C 熱箱（靜置 6 小時(shí)）安全測試，未出現(xiàn)燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。該研究為開發(fā)實(shí)用化的高安全性、高能量密度固態(tài)鋰電池提供了新思路與技術(shù)支撐。
研究成果以“調(diào)控聚合物電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 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(fā)表于《自然》（Nature）期刊。
清華大學(xué)化工系博士后黃雪妍為論文第一作者，清華大學(xué)化工系教授張強(qiáng)、助理研究員趙 辰孜為論文通訊作者。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、教育部學(xué)科突破先導(dǎo)項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持。