中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：12月11日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表的一項(xiàng)成果，讓全固態(tài)鈉離子電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“全固態(tài)鈉電”）距離產(chǎn)業(yè)化邁出了關(guān)鍵一步——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，為這一低成本儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用掃清了核心障礙。
全固態(tài)電池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。該團(tuán)隊(duì)的突破，正是在這道墻上打開(kāi)了一扇窗。
無(wú)外壓固態(tài)電池。a,b 電引發(fā)界面修飾機(jī)制圖。c,d 界面改性對(duì)抑制枝晶生長(zhǎng)的作用。e 截面SEM圖。f,g 大連化物所無(wú)外壓Ah級(jí)別固態(tài)電池展示圖。受訪單位供圖
界面之困：固態(tài)電池的死結(jié)
“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。”大連化物所動(dòng)力電池與系統(tǒng)研究部楊庭舟教授的比喻，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)著鈉離子傳輸?shù)年P(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。但陶瓷材質(zhì)的固有脆性，使其從制備到使用的每一步都如履薄冰。
實(shí)驗(yàn)室主任陳忠偉指著一張氧化物電解質(zhì)切片電鏡照片向記者闡釋?zhuān)何⒚准?jí)的裂紋如蛛網(wǎng)般蔓延，表面的孔隙如同散落在路上的坑洼。“這些缺陷肉眼根本看不見(jiàn)，但會(huì)直接導(dǎo)致界面接觸不良?！标愔覀ソ忉?zhuān)c離子要穿過(guò)電解質(zhì)與電極的界面，就像車(chē)輛要駛過(guò)布滿(mǎn)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)的脆性導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，裂紋引發(fā)界面阻抗升高和枝晶生長(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)?！皺C(jī)械壓實(shí)就像用夾子硬把兩塊玻璃擠在一起，一遇震動(dòng)就會(huì)松動(dòng)；高溫處理則可能破壞電極結(jié)構(gòu)，反而得不償失?！睏钔ブ垩a(bǔ)充說(shuō)，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)，界面接觸會(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2毫安每平方厘米，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足儲(chǔ)能和新能源汽車(chē)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)。
電誘修復(fù)：21.4倍提速的創(chuàng)新破局
“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。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，帶電“修復(fù)膠”微滴的構(gòu)想逐漸成型。
這種“修復(fù)膠”并非傳統(tǒng)意義上的粘合劑，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”?！熬拖窠o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’?！睏钔ブ坌蜗蟮孛枋龅?。
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)。最大的難題在于如何精準(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)致的涂層不均勻?！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%?！必?fù)責(zé)材料合成的團(tuán)隊(duì)成員回憶道，為了找到最佳反應(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)新成為另一個(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)。“我們第一次清晰看到‘修復(fù)膠’像水一樣滲入500納米的微裂紋，然后在30秒內(nèi)完成固化，那種興奮至今難忘。”負(fù)責(zé)設(shè)備研發(fā)的工程師說(shuō)。
一系列創(chuàng)新最終轉(zhuǎn)化為亮眼的性能數(shù)據(jù)：采用該策略的全固態(tài)鈉電，臨界電流密度提升至6.8毫安每平方厘米，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——這是從實(shí)驗(yàn)室樣品到實(shí)際產(chǎn)品的重要跨越?！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)不是停留在小尺寸樣品上的理論值。”楊庭舟強(qiáng)調(diào)。
無(wú)壓穩(wěn)循：從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的關(guān)鍵一躍
在實(shí)驗(yàn)室中試車(chē)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(xiàn)依然保持平穩(wěn)?！盁o(wú)外部加壓是產(chǎn)業(yè)化的‘試金石’?！标愔覀ソ忉尩?，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(chē)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這一制約。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，卷繞、疊片等傳統(tǒng)鋰電池成熟工藝都可兼容，大幅降低了量產(chǎn)門(mén)檻。
對(duì)下游產(chǎn)業(yè)而言，這一突破帶來(lái)的改變是實(shí)質(zhì)性的。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?！标愔覀ニ懔艘还P經(jīng)濟(jì)賬。
在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，全固態(tài)電池的安全性?xún)?yōu)勢(shì)更為突出。由于徹底摒棄了電解液，極大提高了電池的安全性，同時(shí)零下40攝氏度到60攝氏度的寬溫域性能，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)清醒地認(rèn)識(shí)到量產(chǎn)之路仍需攻堅(jiān)?！澳壳俺‰娊赓|(zhì)膜的批次一致性還需提升，修復(fù)膠的規(guī)模化合成工藝也在優(yōu)化中?！彼硎荆瑘F(tuán)隊(duì)下一步將重點(diǎn)突破三大方向：將公斤級(jí)固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)放大生產(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。
