中國儲能網(wǎng)訊：全固態(tài)鈉離子電池因界面問題長期難以產(chǎn)業(yè)化。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳忠偉團(tuán)隊提出電誘導(dǎo)加速聚合界面修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Ah級軟包電池在無外部加壓下穩(wěn)定循環(huán)超1000圈。通過構(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，推動全固態(tài)鈉電向低成本、高安全儲能規(guī)模化應(yīng)用邁進(jìn)。
全固態(tài)鈉離子電池（以下簡稱“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，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)與電極間的界面問題，長期以來像一道無形的墻，阻擋著技術(shù)落地的腳步。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）能源催化轉(zhuǎn)化全國重點(diǎn)實(shí)驗室團(tuán)隊近日在《自然·通訊》上發(fā)表的一項重要成果，如同在這道墻上打開了一扇門。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級全固態(tài)軟包電池在無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，疊放再緊密也會存在縫隙，這就是固態(tài)電池的界面困境?！贝筮B化物所動力電池與系統(tǒng)研究部訪問學(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)化全國重點(diǎn)實(shí)驗室里，該實(shí)驗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，微米級的裂紋如蛛網(wǎng)般蔓延?！斑@些肉眼看不見的缺陷，會直接導(dǎo)致界面接觸不良?！标愔覀ソ忉?，鈉離子穿過電解質(zhì)與電極的界面，就像車輛要駛過布滿坑洼的斷頭路，不僅傳輸效率低，還容易引發(fā)“交通事故”——金屬鈉枝晶會順著裂紋生長，最終穿透電解質(zhì)導(dǎo)致電池失效。
更為棘手的是，這一問題形成了惡性循環(huán)：氧化物電解質(zhì)的脆性會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，裂紋引發(fā)界面阻抗性升高和枝晶生長，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)?！皩τ谶@個問題，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就會松動；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，這些傳統(tǒng)方法始終無法在微觀尺度上維持穩(wěn)定、低阻抗的固—固界面，尤其在電池長期循環(huán)產(chǎn)生體積變化時，界面會加速退化。
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，這個問題不解決，再高的能量密度也只是空中樓閣?！标愔覀フf。
陳忠偉團(tuán)隊從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’出修復(fù)層？”陳忠偉提出的這個問題，為研究指明了新方向。
團(tuán)隊意識到，解決界面問題的關(guān)鍵在于“主動適配”——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。無數(shù)次實(shí)驗后，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，又長出了保護(hù)膜?！睏钔ブ勖枋龅馈?/span>
但將構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，團(tuán)隊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，又要避免聚合過快導(dǎo)致涂層不均勻?！白铋_始，聚合反應(yīng)要么‘偷懶’不啟動，要么‘急躁’地結(jié)塊，產(chǎn)品合格率不足30%。”楊庭舟回憶道，為了找到最佳反應(yīng)參數(shù)，他們連續(xù)數(shù)月在實(shí)驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)機(jī)來自一次機(jī)理層面的突破。團(tuán)隊摒棄了單一變量實(shí)驗的傳統(tǒng)思路，建立了電潤濕鋪展、微滴遷移與鏈?zhǔn)骄酆系鸟詈蠙C(jī)制模型。通過大量數(shù)據(jù)擬合，他們終于明確了電場強(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)突破的另一個關(guān)鍵支撐。為實(shí)時觀察微裂紋中的修復(fù)過程，團(tuán)隊自主設(shè)計了一套原位表征裝置，將光學(xué)顯微鏡與電化學(xué)測試系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)測。“我們第一次清晰看到了修復(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化物所動力電池與系統(tǒng)研究部副研究員李俊豪說。
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90%。更令人振奮的是，團(tuán)隊成功制備出Ah級全固態(tài)軟包電池?！败洶Y(jié)構(gòu)對界面穩(wěn)定性要求更高，這個成果證明我們的技術(shù)不是只適用于小尺寸樣品?！睏钔ブ壅f。
大幅降低量產(chǎn)門檻
在實(shí)驗室中試車間，一臺特殊的電池測試設(shè)備正在運(yùn)行——與傳統(tǒng)設(shè)備不同，這里的軟包電池沒有任何外部夾持裝置。屏幕上的數(shù)據(jù)顯示，這枚Ah級電池已連續(xù)循環(huán)800多圈，電壓曲線依然保持平穩(wěn)?！笆欠裥枰獠考訅菏钱a(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，這會大幅增加電池包的重量和制造成本，根本無法應(yīng)用于新能源汽車和儲能系統(tǒng)。
Ah級軟包電池在無壓條件下穩(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)不僅解決了界面問題，更為電池制造工藝提供了新可能——無需復(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。
對下游產(chǎn)業(yè)而言，這一突破能帶來更具實(shí)質(zhì)性的改變。在大規(guī)模儲能領(lǐng)域，全固態(tài)鈉電的度電成本有望降低30%以上?！扳c資源儲量是鋰的千倍以上，加上無壓封裝簡化了系統(tǒng)設(shè)計，長期來看度電成本能降到0.3元以下?！标愔覀フf。
在新能源汽車領(lǐng)域，全固態(tài)電池的安全性優(yōu)勢更為突出。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)隊認(rèn)識到量產(chǎn)之路仍不平坦。“目前超薄電解質(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)隊下一步將重點(diǎn)突破三大方向：加大公斤級固態(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，為我國在全球儲能領(lǐng)域搶占技術(shù)制高點(diǎn)提供堅實(shí)支撐。
