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全固態電池技術新突破，從材料革新到產業化沖鋒

編輯：轉自：電子發燒友發布時間：2025-06-06

在當今能源存儲領域，全固態電池技術正成為全球科研人員關注的焦點。作為一種有望取代傳統液態鋰離子電池的新型電池技術，全固態電池以其更高的安全性、能量密度以及更廣泛的適用性，展現出巨大的發展潛力。近期，中國科研團隊在全固態電池技術上取得了兩項重大突破，為這一領域的未來發展帶來了新的希望和機遇。

玻璃態電解質的創新：開辟新路徑

近期，北京大學深圳研究生院的潘鋒/楊盧奕團隊長期致力于全固態鋰電池關鍵材料的研究。此前，團隊在2016-2019年承擔并圓滿完成了“材料基因工程研發全固態鋰電池及關鍵材料”的國家重點研發專項。

在這期間，他們創建了固態鋰電池界面納米潤濕（Nano-wetting）新方法，還揭示了固態鋰電池臨界電流短路的起因是鋰枝晶在晶界瞬間生長的機理。這些前期成果為后續的研究奠定了堅實基礎。

本次的發現，具有“一維材料”結構特征的氯化物有望實現鋰離子的快速傳輸。這種材料在一維方向有化學鍵連接，而在其他兩個維度方向沒有化學鍵連接，類似于石墨烯的結構。

基于這一發現，團隊利用具有類無機聚合物鏈狀結構的一維ZrCl4基質，實現了多種鋰鹽（如LiCl、Li2SO4和Li3PO4）的解離，制備了一系列玻璃態氯化物電解質。

通過差示掃描量熱法（DSC）、原子對分布函數（PDF）、固態核磁（ssNMR）、聚焦離子束-透射電鏡（FIB-TEM）等表征手段，證實了電解質的玻璃態特性，并結合分子動力學模擬（MD）驗證了獨特的離子傳輸模式。

具體而言，解離的Li+與[ZrCl6]八面體配位并沿著ZrCl4鏈快速傳導，表現出與聚合物類似的離子傳輸。同時，ZrCl4的路易斯酸性能夠捕獲陰離子，從而實現接近1的高鋰離子遷移數。

這種新型玻璃態電解質在性能上表現出色。1/3Li3PO4@ZrCl4電解質表現出高離子電導率（1.2mS/cm）、寬電化學窗口和低成本，能夠實現LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||Li-In電池的長效循環。

此外，這種設計策略還可以拓展到鈉離子導體的合成，制備的1/3Na3PO4@ZrCl4具有0.3 mS/cm的高離子電導率。這一成果不僅為全固態電池電解質的設計提供了一種新的思路，而且為開發高性能全固態電池開辟了新的路徑。

失效機制的揭示：為電池設計指明方向

與此同時，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的王春陽研究員聯合國際團隊，在全固態電池研究中也取得了重大突破。他們將研究重點放在解決全固態電池短路失效這一阻礙其商業化應用的關鍵難題上。

團隊創新性地運用原位透射電鏡技術，這一技術如同給研究人員裝上了一雙“微觀透視眼”，能夠在材料發生電化學反應的動態過程中，實時、直觀地觀察材料內部的微觀結構變化，為深入探究固態電解質的短路機制提供了前所未有的技術手段。

通過原位透射電鏡的細致觀察，團隊首次在納米尺度上清晰地揭示了無機固態電解質中的軟短路-硬短路轉變機制，以及背后隱藏的析鋰動力學過程。這一發現猶如一把鑰匙，為解決全固態電池的短路問題打開了新的思路。

基于上述重要發現，研究團隊進一步發揮創新思維，利用三維電子絕緣且具有機械彈性的聚合物網絡，成功開發出無機/有機復合固態電解質。這種復合電解質巧妙地融合了無機材料和有機材料的優勢，能夠有效抑制固態電解質內部鋰金屬的析出和互連現象，從而避免了由此引發的短路失效，顯著提升了固態電解質的電化學穩定性。

該研究不僅為深入理解固態電解質的納米尺度失效機理提供了全新的認知視角，更為新型固態電解質的開發提供了堅實的理論依據，有力地推動了更安全、高性能鋰電池的研發進程。相關研究成果已于5月20日發表在《美國化學會會刊》上，為全固態電池領域的發展貢獻了重要的科研力量。

全球加碼固態電池

這兩項研究成果的取得，標志著全固態電池技術在理論和實踐上都取得了重大進展。從理論層面來看，失效機制的揭示和玻璃態電解質的設計原理的提出，為全固態電池的研究提供了新的理論基礎。這些理論成果不僅有助于科研人員更深入地理解全固態電池的工作原理，而且為未來電池技術的研究和發展提供了新的方向和思路。

隨著全固態電池技術的不斷突破，全固態電池的商業化應用前景愈發廣闊。全球市場都在加碼固態電池市場，例如政府投入2000億日元，豐田、本田、日產組建聯盟，計劃2030年實現硫化物電池量產，專利數量全球占比超60%。

而韓國三星SDI開發出5Ah硫化物全固態電池，能量密度達900 Wh/L，計劃2028年應用于無人機市場。

而中國擁有全球最大鋰電池產業鏈、快速迭代的工程化能力，并且國內的國軒高科、寧德時代、億緯鋰能、恩捷股份等企業，都已經在固態電池上有所突破。例如國軒高科已經發布金石固態電池，寧德時代預計到2027年有望實現小批量生產固態電池，億緯鋰能則在近期公開透露，公司將于2026年推出主要應用于混合動力領域的高功率全固態電池，2028年逐步推出能量密度高達400Wh/kg的高比能全固態電池。

盡管全固態電池技術已經取得了顯著進展，但其商業化應用仍面臨一些挑戰。例如，全固態電池的制造成本較高，需要進一步降低以提高其市場競爭力；全固態電池的生產工藝仍需優化，以提高電池的一致性和可靠性。此外，全固態電池的回收利用問題也需要進一步研究，以實現電池的可持續發展。

未來，隨著科研人員的不斷努力和技術創新，全固態電池技術有望在這些方面取得進一步突破。通過優化電池材料和生產工藝，降低制造成本；通過加強電池回收技術研發，提高電池的回收利用率；通過完善電池標準和規范，推動全固態電池的商業化應用。我們有理由相信，全固態電池技術將在未來能源存儲領域發揮重要作用，為人類的可持續發展提供強大的動力支持。

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