科技 | 清華團隊把大豆做成固態電池電解質，高溫下耐用還環保

日前，清華大學研究人員開發出一種由大豆蛋白制成的可再生材料，有望為下一代固態電池提供高效、長壽命的動力來源。

據了解，目前廣泛應用于智能手機和電動汽車等領域的鋰離子電池，其“接班人”被認為是固態電池。固態電池的核心創新在于電解質 —— 作為電池關鍵組成部分，它在電極之間起到橋梁作用，使金屬離子得以通過并產生電流。顧名思義，固態電池用固體材料取代傳統液態電解質，從而實現更快充電速度，并有望將儲能容量提升一倍。

盡管固態電池在性能和成本方面仍需進一步優化以具備市場競爭力，但近年來一個備受關注的解決方案是：采用可再生材料制造固態電解質。這種方法不僅有助于降低電池生產對環境的影響，還能同時提升電池的性能與安全性。

“我們的研究推動了綠色、可持續生物質材料在電池科學與技術領域中的應用，為構建更清潔、高效和可持續的未來貢獻力量。”清華大學教授、該研究論文作者之一申洋（Yang Shen，音譯）表示，“相比傳統固態電解質，我們利用可再生的大豆蛋白開發出的高性能電解質，能夠減少廢棄物產生，顯著降低環境影響。”

大豆蛋白是一種可再生、低成本且易于大規模種植的材料，因此成為制造經濟環保型電池的理想候選者。天然大豆蛋白具有允許離子穿行的結構特性，同時也便于科學家對其進行化學改性，從而靈活調控其性能，適配多種應用場景。

申洋指出：“大豆蛋白目前主要應用于食品和醫療行業，其易獲取、無毒性和可生物降解的特點，使其在其他領域也展現出巨大潛力。”

為了使大豆蛋白適用于電池，申洋團隊對其進行了化學修飾，提高了其本征導電性，促進鋰離子更順暢地遷移。最終獲得的材料形成了由硬層與軟層交替構成的三維網絡結構，兼具高強度與柔韌性，使電解質既堅固又富有彈性。

使用這種大豆基電解質組裝的固態鋰電池，在 60°C 條件下穩定完成了長達 2000 小時的充放電循環。當溫度升高至 120°C 時，電池在超過 800 次充放電循環后仍保持近 75% 的初始容量，顯示出在高溫環境下可靠運行的應用前景。相比之下，傳統鋰離子電池在超過 60°C 時通常會變得不穩定，性能嚴重下降，并可能引發安全風險，例如有毒且高度易燃物質的泄漏。

此外，這種大豆基材料還有望解決當前許多電解質研發中面臨的一個關鍵難題：在電池充放電過程中，電解質與電極之間可能發生化學反應，形成界面層。如果這一界面層無法保持穩定，將在每次循環中持續增厚，逐漸削弱電池性能。

而采用大豆基材料制成的電池，則在電解質與電極之間形成了薄而均勻的界面層，且長期保持穩定。更重要的是，該界面層具有良好的柔韌性，能隨電池充放電過程中的體積變化而伸縮，有效防止裂紋產生。

生命周期評估結果顯示，相較于其他在固態電池中表現良好的有機電解質材料，大豆基材料的制備過程在酸化效應、致癌物釋放以及化石燃料消耗等方面對環境的影響更低。同時，該大豆蛋白電解質在使用過程中釋放的有毒或易揮發性化合物也顯著減少。

申洋表示：“這些結果表明，基于大豆的材料在能源存儲領域具有巨大潛力，為發展生物質來源的固態電解質提供了極具前景的技術路徑。”

盡管該材料仍需進一步優化，并面對規模化生產的挑戰，但未來某一天，大豆蛋白或將成為長壽命、環境友好型電池的重要基礎材料。尤其在電動汽車和電子設備領域，申洋及其團隊認為其應用前景廣闊，特別是在需要電池在極端溫度條件下穩定工作的場景中尤為適用。

來源：IT之家

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