中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全固態(tài)鈉離子電池因界面問(wèn)題長(zhǎng)期難以產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳忠偉團(tuán)隊(duì)提出電誘導(dǎo)加速聚合界面修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Ah級(jí)軟包電池在無(wú)外部加壓下穩(wěn)定循環(huán)超1000圈。通過(guò)構(gòu)建可聚合單體修復(fù)膠，精準(zhǔn)填充微裂紋并形成保護(hù)膜，臨界電流密度提升至每平方厘米6.8毫安。該技術(shù)兼容傳統(tǒng)工藝，顯著降低量產(chǎn)門檻，推動(dòng)全固態(tài)鈉電向低成本、高安全儲(chǔ)能規(guī)模化應(yīng)用邁進(jìn)。
全固態(tài)鈉離子電池（以下簡(jiǎn)稱“全固態(tài)鈉電”）因高安全性和高能量密度被視為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的核心，而鈉基材料憑借鈉資源豐富、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，成為平衡性能與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)選方向。但固態(tài)電解質(zhì)與電極間的界面問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)像一道無(wú)形的墻，阻擋著技術(shù)落地的腳步。
中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“大連化物所”）能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)近日在《自然·通訊》上發(fā)表的一項(xiàng)重要成果，如同在這道墻上打開(kāi)了一扇門。他們研發(fā)的電誘導(dǎo)加速聚合界面修復(fù)技術(shù)，成功讓Ah級(jí)全固態(tài)軟包電池在無(wú)外部加壓的條件下穩(wěn)定循環(huán)超1000圈，使得全固態(tài)電池向產(chǎn)業(yè)化邁出關(guān)鍵一步，為低成本儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用掃清了核心障礙。
固態(tài)電池的界面困境
“就像兩塊干燥的玻璃，疊放再緊密也會(huì)存在縫隙，這就是固態(tài)電池的界面困境?！贝筮B化物所動(dòng)力電池與系統(tǒng)研究部訪問(wèn)學(xué)者楊庭舟點(diǎn)出了全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心痛點(diǎn)。作為全固態(tài)電池的“心臟瓣膜”，固態(tài)電解質(zhì)承擔(dān)著傳輸鈉離子的關(guān)鍵作用，而氧化物電解質(zhì)因高離子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，成為科研界的重點(diǎn)攻關(guān)方向。但氧化物電解質(zhì)的固有脆性使其從制備到使用的每一步都極易受損。
在大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，該實(shí)驗(yàn)室主任陳忠偉展示了一張氧化物電解質(zhì)切片的電鏡照片：切片表面的孔隙如同路上的坑洼，微米級(jí)的裂紋如蛛網(wǎng)般蔓延?！斑@些肉眼看不見(jiàn)的缺陷，會(huì)直接導(dǎo)致界面接觸不良?！标愔覀ソ忉?，鈉離子穿過(guò)電解質(zhì)與電極的界面，就像車輛要駛過(guò)布滿坑洼的斷頭路，不僅傳輸效率低，還容易引發(fā)“交通事故”——金屬鈉枝晶會(huì)順著裂紋生長(zhǎng)，最終穿透電解質(zhì)導(dǎo)致電池失效。
更為棘手的是，這一問(wèn)題形成了惡性循環(huán)：氧化物電解質(zhì)的脆性會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，裂紋引發(fā)界面阻抗性升高和枝晶生長(zhǎng)，枝晶又進(jìn)一步加劇裂紋擴(kuò)展，最終造成“接觸不良—界面失效—性能衰減”的連鎖反應(yīng)。“對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，機(jī)械壓實(shí)的方法就像用夾子硬把兩塊玻璃擠在一起，導(dǎo)致兩塊玻璃一遇震動(dòng)就會(huì)松動(dòng)；高溫處理的方法則可能破壞電極結(jié)構(gòu)，得不償失。”楊庭舟補(bǔ)充說(shuō)，這些傳統(tǒng)方法始終無(wú)法在微觀尺度上維持穩(wěn)定、低阻抗的固—固界面，尤其在電池長(zhǎng)期循環(huán)產(chǎn)生體積變化時(shí)，界面會(huì)加速退化。
這一困境在全固態(tài)鈉電領(lǐng)域更為突出。鈉離子電池雖在成本和資源稟賦上占優(yōu)，但鈉金屬負(fù)極的化學(xué)活性更高，與固態(tài)電解質(zhì)的界面反應(yīng)更劇烈，且臨界電流密度普遍低于每平方厘米2毫安，遠(yuǎn)不能滿足儲(chǔ)能和新能源汽車的實(shí)際需求?！敖缑嬲{(diào)控是決定全固態(tài)電池成敗的關(guān)鍵，這個(gè)問(wèn)題不解決，再高的能量密度也只是空中樓閣。”陳忠偉說(shuō)。
陳忠偉團(tuán)隊(duì)從2022年組建之初，就將界面改性作為核心攻關(guān)方向，先后在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》《先進(jìn)材料》等期刊發(fā)表系列成果，為此次突破奠定了基礎(chǔ)。
給界面做“微創(chuàng)手術(shù)”
“既然外部強(qiáng)制手段行不通，能不能讓界面自己‘長(zhǎng)’出修復(fù)層？”陳忠偉提出的這個(gè)問(wèn)題，為研究指明了新方向。
團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，解決界面問(wèn)題的關(guān)鍵在于“主動(dòng)適配”——讓修復(fù)材料能夠精準(zhǔn)滲入缺陷，并與電解質(zhì)、電極形成穩(wěn)定結(jié)合。無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)后，修復(fù)膠的構(gòu)想逐漸成型。
這種修復(fù)膠并非傳統(tǒng)意義上的黏合劑，而是由可聚合單體與導(dǎo)電粒子組成的特殊體系。其創(chuàng)新之處在于“一箭雙雕”?！斑@就像給電池界面做了一次精準(zhǔn)的微創(chuàng)手術(shù)，既填充了傷口，又長(zhǎng)出了保護(hù)膜?！睏钔ブ勖枋龅?。
但將構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，團(tuán)隊(duì)遭遇了前所未有的挑戰(zhàn)。他們面臨的最大難題在于如何精準(zhǔn)控制聚合過(guò)程——既要讓修復(fù)膠在微裂紋深處完成固化，又要避免聚合過(guò)快導(dǎo)致涂層不均勻?！白铋_(kāi)始，聚合反應(yīng)要么‘偷懶’不啟動(dòng)，要么‘急躁’地結(jié)塊，產(chǎn)品合格率不足30%?！睏钔ブ刍貞浀溃瑸榱苏业阶罴逊磻?yīng)參數(shù)，他們連續(xù)數(shù)月在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)機(jī)來(lái)自一次機(jī)理層面的突破。團(tuán)隊(duì)摒棄了單一變量實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)思路，建立了電潤(rùn)濕鋪展、微滴遷移與鏈?zhǔn)骄酆系鸟詈蠙C(jī)制模型。通過(guò)大量數(shù)據(jù)擬合，他們終于明確了電場(chǎng)強(qiáng)度、單體極性與聚合速率之間的定量關(guān)系。
裝備創(chuàng)新是技術(shù)突破的另一個(gè)關(guān)鍵支撐。為實(shí)時(shí)觀察微裂紋中的修復(fù)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了一套原位表征裝置，將光學(xué)顯微鏡與電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)測(cè)?！拔覀兊谝淮吻逦吹搅诵迯?fù)膠像水一樣滲入500納米的微裂紋，并在30秒內(nèi)完成固化。那種興奮至今難忘?！贝筮B化物所動(dòng)力電池與系統(tǒng)研究部副研究員李俊豪說(shuō)。
一系列創(chuàng)新最終轉(zhuǎn)化為亮眼的數(shù)據(jù)：采用該策略的全固態(tài)鈉電，臨界電流密度提升至每平方厘米6.8毫安，是傳統(tǒng)電池的3倍以上；在1.0C倍率下，電池循環(huán)1000圈后，容量保持率仍超過(guò)90%。更令人振奮的是，團(tuán)隊(duì)成功制備出Ah級(jí)全固態(tài)軟包電池?！败洶Y(jié)構(gòu)對(duì)界面穩(wěn)定性要求更高，這個(gè)成果證明我們的技術(shù)不是只適用于小尺寸樣品。”楊庭舟說(shuō)。
大幅降低量產(chǎn)門檻
在實(shí)驗(yàn)室中試車間，一臺(tái)特殊的電池測(cè)試設(shè)備正在運(yùn)行——與傳統(tǒng)設(shè)備不同，這里的軟包電池沒(méi)有任何外部夾持裝置。屏幕上的數(shù)據(jù)顯示，這枚Ah級(jí)電池已連續(xù)循環(huán)800多圈，電壓曲線依然保持平穩(wěn)。“是否需要外部加壓是產(chǎn)業(yè)化的‘試金石’。”陳忠偉解釋道，傳統(tǒng)固態(tài)電池需要借助夾具施加10到20兆帕的壓力維持界面接觸，這會(huì)大幅增加電池包的重量和制造成本，根本無(wú)法應(yīng)用于新能源汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)。
Ah級(jí)軟包電池在無(wú)壓條件下穩(wěn)定循環(huán)超1000圈，這一成果徹底打破了上述制約。該技術(shù)不僅解決了界面問(wèn)題，更為電池制造工藝提供了新可能——無(wú)需復(fù)雜的加壓封裝設(shè)備，并可兼容卷繞、疊片等傳統(tǒng)鋰電池成熟工藝，大幅降低了量產(chǎn)門檻。
對(duì)下游產(chǎn)業(yè)而言，這一突破能帶來(lái)更具實(shí)質(zhì)性的改變。在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，全固態(tài)鈉電的度電成本有望降低30%以上?！扳c資源儲(chǔ)量是鋰的千倍以上，加上無(wú)壓封裝簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期來(lái)看度電成本能降到0.3元以下。”陳忠偉說(shuō)。
在新能源汽車領(lǐng)域，全固態(tài)電池的安全性優(yōu)勢(shì)更為突出。由于徹底摒棄了電解液，全固態(tài)電池極大提高了電池的安全性。其可適應(yīng)零下40攝氏度到60攝氏度的寬溫域性能，還解決了北方地區(qū)冬季續(xù)航衰減的難題。
盡管成果顯著，但陳忠偉團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到量產(chǎn)之路仍不平坦?！澳壳俺‰娊赓|(zhì)膜的批次一致性還需提升，修復(fù)膠的規(guī)?；铣晒に囈苍趦?yōu)化中?！彼榻B，團(tuán)隊(duì)下一步將重點(diǎn)突破三大方向：加大公斤級(jí)固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)生產(chǎn)、實(shí)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。
陳忠偉坦言，隨著界面修復(fù)技術(shù)的不斷成熟，全固態(tài)電池正從科研成果轉(zhuǎn)化為新質(zhì)生產(chǎn)力，為我國(guó)在全球儲(chǔ)能領(lǐng)域搶占技術(shù)制高點(diǎn)提供堅(jiān)實(shí)支撐。
