本報北京10月4日電（記者鄧暉）當前，電動汽車、電動飛行器、人形機器人等前沿領(lǐng)域?qū)恿ο到y(tǒng)提出了高能量、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前儲能領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。記者從清華大學獲悉，該校化工系張強教授團隊成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)，構(gòu)筑出能量密度達604 Wh kg-1的高安全聚合物電池，解開了鋰電池續(xù)航與安全不可兼得的難題。該研究為開發(fā)實用化的高安全性、高能量密度固態(tài)鋰電池提供了新思路與技術(shù)支撐。相關(guān)成果日前在線發(fā)表于國際期刊《自然》。
固態(tài)電池憑借其高能量密度和安全潛力被廣泛視為鋰電池的重要發(fā)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(tài)電池體系展現(xiàn)出實現(xiàn)能量密度突破600 Wh kg-1的潛力。然而固態(tài)電池在實際應用過程中仍面臨兩大難題：固—固材料之間因剛性接觸導致的界面阻抗大，以及電解質(zhì)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(huán)境。
研究團隊介紹，在傳統(tǒng)固態(tài)電池設(shè)計中，常施加高壓（上百個大氣壓）或構(gòu)建多層電解質(zhì)，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(wěn)定維持復雜的多層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生多種新問題，限制電池整體性能。如何在避免高外壓和結(jié)構(gòu)復雜化的前提下構(gòu)建穩(wěn)定高效的固—固界面，成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學挑戰(zhàn)。
針對以上挑戰(zhàn)，研究團隊提出了“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”設(shè)計新策略，成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)。該電解質(zhì)有效增強了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導能力，并顯著提升了界面穩(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)異的電化學性能。基于該電解質(zhì)構(gòu)建的8.96安時聚合物軟包全電池在施加1兆帕外壓下，能量密度實現(xiàn)跨越式提升，達到604 Wh kg-1，遠超目前商業(yè)化的磷酸鐵鋰儲能/動力電芯、鎳鈷錳酸鋰動力電芯。
在滿充狀態(tài)下，該電池還通過了針刺與120℃熱箱（靜置6小時）安全測試，無燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的安全性能。