本報北京10月4日電（記者鄧暉）當(dāng)前，電動汽車、電動飛行器、人形機(jī)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(dāng)前儲能領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。記者從清華大學(xué)獲悉，該校化工系張強(qiáng)教授團(tuán)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(dá)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(yīng)用過程中仍面臨兩大難題：固—固材料之間因剛性接觸導(dǎo)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(qiáng)還原性負(fù)極的極端化學(xué)環(huán)境。
研究團(tuán)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(fù)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(fù)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(xué)挑戰(zhàn)。
針對以上挑戰(zhàn)，研究團(tuán)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(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)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(xué)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(dá)到604 Wh kg-1，遠(yuǎn)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。