重磅！中科院破解固態(tài)電池“死結(jié)”，度電成本低于3毛

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【重磅！中科院破解固態(tài)電池“死結(jié)”，度電成本低于3毛】

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近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室團隊在《自然·通訊》上發(fā)表重要成果，其研發(fā)的電誘導(dǎo)加速聚合界面修復(fù)技術(shù)成功應(yīng)用于Ah級全固態(tài)鈉離子軟包電池，在無需外部加壓的條件下實現(xiàn)了穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。

全固態(tài)電池因具備高安全性和高能量密度被視為儲能領(lǐng)域的未來方向，而基于鈉資源的電池體系因成本低廉、資源豐富，成為平衡性能與經(jīng)濟性的理想選擇。

然而，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間長期存在的界面接觸難題，如同橫亙在產(chǎn)業(yè)化道路上的一堵“無形的墻”，嚴(yán)重制約了電池的循環(huán)壽命與實際性能。

界面問題本質(zhì)上是固態(tài)電池的“死結(jié)”。

正如團隊負責(zé)人楊庭舟教授所比喻的，固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸如同兩片干燥的玻璃疊放，即便表面看似平整，微觀上仍存在難以避免的縫隙與孔隙。

這些微米甚至納米級的缺陷會導(dǎo)致界面接觸不良，大幅增加離子傳輸阻力，更嚴(yán)重的是可能引發(fā)鈉枝晶生長，最終穿透電解質(zhì)導(dǎo)致電池短路失效。

尤其對于化學(xué)活性更高的鈉金屬負極，界面反應(yīng)更為劇烈，傳統(tǒng)的外部加壓或高溫處理方法往往治標(biāo)不治本，難以在長期循環(huán)中維持穩(wěn)定、低阻抗的固-固接觸，嚴(yán)重限制了全固態(tài)鈉電池的實際應(yīng)用。

面對這一行業(yè)共性難題，陳忠偉團隊轉(zhuǎn)換思路，提出“讓界面自主修復(fù)”的創(chuàng)新構(gòu)想。

他們不再依賴外部強制手段，而是設(shè)計出一種特殊的“電池膠水”——一種由可聚合單體與導(dǎo)電粒子組成的復(fù)合體系，在電場引導(dǎo)下可精準(zhǔn)滲入電解質(zhì)微裂紋中，并快速固化形成穩(wěn)定、致密的修復(fù)層。

這項技術(shù)的關(guān)鍵突破在于實現(xiàn)了“電誘導(dǎo)下的可控聚合”，團隊通過建立電潤濕、微滴遷移與聚合反應(yīng)的多場耦合模型，精準(zhǔn)調(diào)控電場強度與反應(yīng)速率，使修復(fù)材料能像“智能膠水”一般深入裂縫并在短時間內(nèi)完成固化，既填補缺陷，又形成保護性界面層。

來源：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

為實時觀測這一微觀修復(fù)過程，團隊還自主研制了原位表征裝置，首次實現(xiàn)了對納米級裂紋內(nèi)修復(fù)反應(yīng)的“可視化”監(jiān)測。

實驗結(jié)果顯示，采用該技術(shù)的全固態(tài)鈉電池臨界電流密度提升至6.8毫安每平方厘米，達到傳統(tǒng)電池的三倍以上；在1C倍率下循環(huán)1000圈后容量保持率仍超過90%。

更值得關(guān)注的是，團隊成功制備出Ah級軟包電池并在無外部加壓條件下實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，這標(biāo)志著該技術(shù)已從實驗室的小尺寸樣品邁向具有實際應(yīng)用意義的產(chǎn)品形態(tài)。

無加壓穩(wěn)定循環(huán)的突破，對產(chǎn)業(yè)化具有里程碑意義。

傳統(tǒng)全固態(tài)電池往往需要依賴夾具施加數(shù)兆帕的外部壓力以維持界面接觸，這不僅增加電池系統(tǒng)的重量與成本，也限制了其在電動汽車及大規(guī)模儲能中的適用性。

而本次研發(fā)的電誘修復(fù)技術(shù)使電池在常壓條件下即可實現(xiàn)優(yōu)異性能，大大簡化了電池封裝工藝，使得卷繞、疊片等現(xiàn)有鋰電成熟工藝可直接兼容，顯著降低了量產(chǎn)門檻與制造成本。

從應(yīng)用前景看，這項技術(shù)為全固態(tài)鈉電池的經(jīng)濟性與安全性帶來雙重提升。

在儲能領(lǐng)域，得益于鈉資源的豐富性與無壓設(shè)計的結(jié)構(gòu)簡化，度電成本有望降低30%以上，遠期甚至可能降至每度電0.3元以下。

在新能源汽車方面，全固態(tài)電池徹底消除液態(tài)電解液，從根本上提升安全等級，同時其寬溫域性能有效緩解低溫環(huán)境下的續(xù)航衰減問題，為電動汽車在更廣闊氣候區(qū)域的推廣提供支持。

盡管成果令人振奮，但研究團隊也認識到，從實驗室走向規(guī)模化生產(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

目前，超薄固態(tài)電解質(zhì)膜的批量一致性、修復(fù)材料的規(guī)模化合成工藝以及全鏈條中試體系的構(gòu)建，仍是需要持續(xù)攻堅的方向。

陳忠偉表示，團隊下一步將重點突破三大方向：將公斤級固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)放大生產(chǎn)、實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)化改造、構(gòu)建從材料到電芯的全鏈條中試體系。

（來源：科技日報、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所；整理：Bell）

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