作者 | Janson
编辑 | 志豪
固态电池技术又迎来新突破！
车东西6月24日消息，日前，中科院陈剑团队在高比能全固态电池关键电解质材料上取得新进展。
采用这种新型电解质材料做成的电池，在1C倍率下稳定循环350次后，容量保持率仍达到84.15%。
同时，基于该电解质的锂/锂对称电池可稳定运行超过2500小时，展现出较强的导锂能力、界面稳定性和抑制锂枝晶能力。
▲固态电池最新成果在顶刊发布
最终，这一成果以《一种提升固态电池性能的新型脱氟化氢复合凝胶电解质》为题，发表在国际期刊《胶体与界面科学》上。
要知道，该期刊是胶体与界面科学、材料、电化学等方向的重要期刊，也是该领域顶级期刊之一。
▲研究成果一览
相比于此前单纯往电解质里“加填料”，此次中科院团队给出的解法是让无机材料主动诱导聚合物发生原位化学变化，把原本容易成为短板的有机/无机界面，变成锂离子快速通过的通道。
这样的突破，也让固态电池离规模化落地更进一步了。
01.
固态电池卡在界面上
大连化物所用“原位化学重构”破题
固态电池被视为下一代高安全、高比能电池的重要方向，但真正做起来并不容易。
最大难点之一，就是固态电解质和电极之间的界面问题。
相比于液态电解液可以像水一样浸润电极颗粒，固态电解质是“固体贴固体”，一旦贴合不好，就会出现接触差、阻抗高、锂离子传输不连续等问题。
与此同时，无机固态电解质虽然稳定、导锂能力强，但往往偏脆；聚合物电解质虽然柔软、好加工，但离子电导率和电化学稳定性又不够理想。
陈剑团队这次选择的路线，是把两类材料的优势结合起来：一边是柔韧性较好的PVDF聚合物，另一边是含锂量较高的反钙钛矿结构无机固态电解质Li₃OCl。
▲复合电解质材料的制备及光谱
但真正实现优秀性能的关键不只是“混合”，而是“反应”。
研究团队发现，Li₃OCl表面的氧原子具有路易斯碱特性，简单说就是它们比较“富电子”，可以在60℃热处理过程中诱导PVDF发生脱氟化氢反应，使PVDF链段中生成不饱和碳碳双键结构。
通俗理解就是，Li₃OCl不只是作为填料存在，而是主动“改造”了PVDF，让两者之间形成更强的界面相互作用。
这个变化带来的直接结果是，有机相和无机相不再只是松散拼在一起，而是在界面处形成更连续、更低阻力的锂离子传输通路。
由此，锂离子在电池里不再需要反复“绕路”，而是可以沿着重构后的界面更顺畅地迁移。
02.
1C循环350次容量保持率84.15%
还能稳定锂金属负极
有了材料设计上的突破，最终还要看具体电池性能表现。
在不同Li₃OCl含量中，团队筛选出的最优样品是CGE40-Li₃OCl，也就是Li₃OCl质量分数为40%的复合凝胶固态电解质。
该电解质在30℃下离子电导率达到2.73×10⁻⁴ S/cm，锂离子迁移数达到0.90，电化学稳定窗口超过4.78V，临界电流密度达到0.85 mA/cm²，杨氏模量达到892.53 MPa。
其中，锂离子迁移数0.90非常关键。它意味着在电池运行过程中，主要移动的是锂离子，而不是其他离子一起乱跑。
这样可以减少浓差极化，让锂在负极表面沉积得更均匀，从而降低锂枝晶刺穿电解质、引发短路的风险。
实际测试也验证了这一点，采用CGE40-Li₃OCl的锂/锂对称电池，在0.1 mA/cm²条件下可以稳定循环超过2500小时。
相比之下，采用CGE40-LLZTO的对照电池约1600小时后出现短路。
循环后的锂金属表面也显示，CGE40-Li₃OCl体系中的锂沉积更加致密，没有明显枝晶，而对照组则出现粗糙、疏松的锂沉积。
▲电池循环稳定性测试
更重要的是，这种材料装进完整电池后也表现不错。对此，研究团队用CGE40-Li₃OCl组装锂金属/NCA三元固态电池做了测试。
测试显示，该电池在1C倍率下初始放电比容量为162.1 mAh/g，循环350次后仍保持136.4 mAh/g，对应容量保持率为84.15%。
▲电池循环稳定性测试
而采用CGE40-LLZTO的对照电池，350次循环后容量保持率只有72.01%。也就是说，CGE40-Li₃OCl不仅能稳定负极，还能改善正极界面。
论文中对循环后的NCA正极进行分析发现，采用CGE40-Li₃OCl的电池中，NCA颗粒形貌保持较好，而对照组中NCA颗粒出现明显破碎和结构退化。
此外，团队还进一步测试了预锂化硬碳/NCA固态电池。
结果显示，采用预锂化硬碳负极和NCA正极的CGE40-Li₃OCl固态电池在1C倍率下初始放电比容量达到165.9 mAh/g，循环300次后容量保持率约80%。
这说明该电解质不仅适配锂金属负极，也有潜力拓展到锂离子/锂金属复合负极体系。
这也与当前产业界对固态电解质、锂金属负极和高比能电池路线的关注方向相呼应。包括QuantumScape、Solid Power、丰田、宁德时代等企业，也都在以不同方式推进固态电池、锂金属电池或高比能电池相关技术。
值得一提的是，该电解质还具备较好的阻燃表现。
论文对比发现，PVDF-Li₃OCl-PC/EC电解质遇火会迅速燃烧，而CGE40-Li₃OCl在长时间火焰照射下没有明显燃烧，这与FEC自身阻燃性以及有机/无机界面相互作用增强有关。
03.
陈剑研究员领衔
长期深耕高比能电池关键材料
这项成果背后的领衔科研人员，是中科院大连化物所研究员、先进二次电池研究组组长陈剑。
陈剑研究员长期从事电化学储能和先进二次电池关键材料研究。她本科、硕士、博士均就读于武汉大学，分别获得物理化学学士学位、电化学硕士和博士学位。
▲陈剑研究员
此后，她曾在德国波茨坦大学从事博士后研究，并先后在武汉大学化学与分子科学学院任讲师、副教授。
2004年进入中科院大连化物所燃料电池研究室，2009年起担任先进二次电池研究组研究员、组长。
她的研究方向并不局限于单一材料，而是长期围绕高比能、高安全电池体系展开，重点包括锂硫电池、全固态锂电池、高电导率固体电解质材料、固/固界面调控以及新型高比能正极材料等。
在产业化和工程化方面，陈剑研究员也有较强积累。
公开资料显示，她带领团队曾研制出高比能锂硫电池组，2015年研制出国内首套12kWh锂硫电池组并实现与光伏电池耦合发电，研制的27kWh锂硫电池组还曾成功驱动大翼展高空无人机国内首飞。
04.
结语：固态电池界面难题有了新解法
固态电池要真正走向应用，关键不只在于单个材料性能有多高，更在于电解质、正极和负极之间能否长期稳定协同工作。
陈剑团队这项研究从有机/无机界面入手，通过Li₃OCl诱导PVDF发生原位化学重构，构建出更稳定、更顺畅的锂离子传输通道，在循环寿命、锂枝晶抑制和正极界面稳定性上都取得了较好结果。
这项成果距离产业化仍需要更多工程验证，但它提供了一条清晰的材料设计路径：固态电池的突破，正在从简单堆材料，走向更精细的界面化学设计。
