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。中國科學院大連化學物理研究所陳忠偉團隊提出電誘導加速聚合界面修復技術，實現(xiàn)Ah級軟包電池在無外部加壓下穩(wěn)定循環(huán)超1000圈。通過構建可聚合單體修復膠，精準填充微裂紋并形成保護膜，臨界電流密度提升至每平方厘米6.8毫安。該技術兼容傳統(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)模化應用邁進。
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)濟性的優(yōu)選方向。但固態(tài)電解質與電極間的界面問題，長期以來像一道無形的墻，阻擋著技術落地的腳步。
中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）能源催化轉化全國重點實驗室團隊近日在《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)的電誘導加速聚合界面修復技術，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)化邁出關鍵一步，為低成本儲能技術的規(guī)模化應用掃清了核心障礙。
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)研究部訪問學者楊庭舟點出了全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的核心痛點。作為全固態(tài)電池的“心臟瓣膜”，固態(tài)電解質承擔著傳輸鈉離子的關鍵作用，而氧化物電解質因高離子電導率和化學穩(wěn)定性，成為科研界的重點攻關方向。但氧化物電解質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化全國重點實驗室里，該實驗室主任陳忠偉展示了一張氧化物電解質切片的電鏡照片：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，會直接導致界面接觸不良?！标愔覀ソ忉?，鈉離子穿過電解質與電極的界面，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，最終穿透電解質導致電池失效。
更為棘手的是，這一問題形成了惡性循環(huán)：氧化物電解質的脆性會導致裂紋產(chǎn)生，裂紋引發(fā)界面阻抗性升高和枝晶生長，枝晶又進一步加劇裂紋擴展，最終造成“接觸不良—界面失效—性能衰減”的連鎖反應?！皩τ谶@個問題，機械壓實的方法就像用夾子硬把兩塊玻璃擠在一起，導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構，得不償失?！睏钔ブ垩a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)，但鈉金屬負極的化學活性更高，與固態(tài)電解質的界面反應更劇烈，且臨界電流密度普遍低于每平方厘米2毫安，遠不能滿足儲能和新能源汽車的實際需求?！敖缑嬲{控是決定全固態(tài)電池成敗的關鍵，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。
陳忠偉團隊從2022年組建之初，就將界面改性作為核心攻關方向，先后在《德國應用化學》《先進材料》等期刊發(fā)表系列成果，為此次突破奠定了基礎。
給界面做“微創(chuàng)手術”
“既然外部強制手段行不通，能不能讓界面自己‘長’出修復層？”陳忠偉提出的這個問題，為研究指明了新方向。
團隊意識到，解決界面問題的關鍵在于“主動適配”——讓修復材料能夠精準滲入缺陷，并與電解質、電極形成穩(wěn)定結合。無數(shù)次實驗后，修復膠的構想逐漸成型。
這種修復膠并非傳統(tǒng)意義上的黏合劑，而是由可聚合單體與導電粒子組成的特殊體系。其創(chuàng)新之處在于“一箭雙雕”。“這就像給電池界面做了一次精準的微創(chuàng)手術，既填充了傷口，又長出了保護膜?！睏钔ブ勖枋龅?。
但將構想變?yōu)楝F(xiàn)實，團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控制聚合過程——既要讓修復膠在微裂紋深處完成固化，又要避免聚合過快導致涂層不均勻?！白铋_始，聚合反應要么‘偷懶’不啟動，要么‘急躁’地結塊，產(chǎn)品合格率不足30%。”楊庭舟回憶道，為了找到最佳反應參數(shù)，他們連續(xù)數(shù)月在實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)。
轉機來自一次機理層面的突破。團隊摒棄了單一變量實驗的傳統(tǒng)思路，建立了電潤濕鋪展、微滴遷移與鏈式聚合的耦合機制模型。通過大量數(shù)據(jù)擬合，他們終于明確了電場強度、單體極性與聚合速率之間的定量關系。
裝備創(chuàng)新是技術突破的另一個關鍵支撐。為實時觀察微裂紋中的修復過程，團隊自主設計了一套原位表征裝置，將光學顯微鏡與電化學測試系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)了可視化監(jiān)測?！拔覀兊谝淮吻逦吹搅诵迯湍z像水一樣滲入500納米的微裂紋，并在30秒內完成固化。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，團隊成功制備出Ah級全固態(tài)軟包電池?！败洶Y構對界面穩(wěn)定性要求更高，這個成果證明我們的技術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
在實驗室中試車間，一臺特殊的電池測試設備正在運行——與傳統(tǒng)設備不同，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——無需復雜的加壓封裝設備，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質性的改變。在大規(guī)模儲能領域，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，但陳忠偉團隊認識到量產(chǎn)之路仍不平坦。“目前超薄電解質膜的批次一致性還需提升，修復膠的規(guī)?；铣晒に囈苍趦?yōu)化中?！彼榻B，團隊下一步將重點突破三大方向：加大公斤級固態(tài)電解質制備技術生產(chǎn)、實現(xiàn)設備的連續(xù)化改造、構建從材料到電芯的全鏈條中試體系。
陳忠偉坦言，隨著界面修復技術的不斷成熟，全固態(tài)電池正從科研成果轉化為新質生產(chǎn)力，為我國在全球儲能領域搶占技術制高點提供堅實支撐。
