11月5日訊，據清華大學官方微信消息，電動車充電慢、冬天“趴窩”、安全隱患大等問題如何解決？傳說中的下一代固態電池何時才能商用？同時實現“快充”和“長壽命”是固態電池實用化面臨的關鍵挑戰。

近日，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、賀艷兵教授團隊聯合天津大學楊全紅教授團隊聯合攻關，為固態鋰金屬電池構建出外柔內剛的梯度結構。如同為鋰金屬負極表面穿上“塑性鎧甲”，為長期困擾行業的固態電池界面失效問題提供了全新解決策略。

團隊合影

北京時間10月30日零時，研究成果以“用于固態電池的塑性固態電解質界面”（A ductile solid electrolyte interphase for solid-statebatteries）為題在線發表于《自然》（Nature）。

《自然》文章截圖

固態電池的“鎧甲”, 為何如此脆弱?

固態鋰金屬電池因其高能量密度和高安全性被譽為下一代動力電池的發展方向，在電動汽車和大規模儲能等方面具有廣闊的應用前景。

然而，固態電池的商業化長期受困于固態電解質的低離子電導率和固態電解質/電極差的固-固界面穩定性等難題。導致在大電流密度、低溫等嚴苛工況下容易發生界面失效等問題。

鋰金屬負極表面傳統富無機組分固態電解質界面（下稱“SEI”）相當于電池的一層保護膜，雖然堅硬，但脆弱，一旦破裂，不僅會拖慢充電速度，更會導致短路等問題。使得固態電池難以實現低溫和大電流密度下的長壽命穩定循環，在快充和低溫環境下壽命急劇縮短。

“塑性鎧甲”的研發

讓固態電池壽命危機迎來破局點

“讓老百姓用上更安全、更高效的電池”是團隊的研究初心。康飛宇帶領的能源材料團隊一直關注電池安全的課題。

近年主要針對本征安全電池開展研究，而作為深耕電池領域20余年的科研工作者，賀艷兵長期致力于固態電池領域研究。

針對上述挑戰，團隊創新性地提出了“塑性富無機SEI”的設計理念，開發出兼具優異機械性能，鋰離子傳輸性能和梯度親鋰/疏鋰特性的新型塑性SEI，大幅度提升了固態電池在大電流密度下和低溫下的循環穩定性。

塑性SEI的組分篩選及其在固態電池循環過程中的作用示意圖

團隊從SEI結構和模型進行源頭創新，將“塑性”特征作為新型SEI組分篩選的核心指標，并進行了人工智能加速的理論篩選，發現硫化銀、氟化銀等材料不僅具備良好的塑性變形能力，還能顯著降低鋰離子的擴散能壘。

塑性富無機SEI的結構和組分解析

在塑性SEI目標組分篩選的基礎上，研究團隊設計了一種含AgNO3添加劑和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的有機/無機復合固態電解質。該體系可在固態電池運行中，將脆性Li2S/LiF組分轉化為塑性Ag2S/AgF組分構建出具有外柔內剛梯度結構的SEI。這種SEI多層級結構協同的設計理念猶如為鋰金屬負極量身定制了一套“塑性鎧甲”，既保證了在低溫和大電流密度條件運行過程中界面層的結構完整性，又實現了高效的離子傳輸，并抑制了副反應。

同時研究還顯著提升了復合固態電解質的體介電性能，構筑了高效的鋰離子傳輸通道，實現了鋰離子的快速、均勻沉積反應。

塑性富無機SEI的優異塑性變形能力和機械穩定性

“塑性SEI”使固態電池展現出優異的電化學性能，即使在-30℃的低溫環境中，對稱電池仍能在5 mA cm–2的電流密度和5 mA h cm–2面積容量下穩定循環7000小時以上。該工作開創性地將“塑性”作為特征指標為解決固態電池的界面失效問題提供了全新策略。為新型界面層設計提供重要理論依據，對實用化固態電池研發具有實用價值，為“快充”與“壽命”難以得兼的問題找到了新的突破口。

研究團隊工作照