在電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛行器、人形機(jī)器人等前沿領(lǐng)域快速發(fā)展的今天，動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電池的能量密度和安全性提出了前所未有的高要求。

當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池能量密度已接近理論極限，且安全性問題時(shí)有發(fā)生，開發(fā)下一代高性能電池成為全球科研界與產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。

在這一背景下，固態(tài)電池因其高能量密度和本征安全性被廣泛寄予厚望，尤其以富鋰錳基層狀氧化物為正極的體系，被認(rèn)為有望突破600Wh/kg的能量密度瓶頸。

然而，固態(tài)電池長(zhǎng)期以來面臨固-固界面接觸差、電解質(zhì)與電極材料兼容性不足等難題，制約了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池聚合物電解質(zhì)研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，成功開發(fā)出一種新型含氟聚醚電解質(zhì)，基于該電解質(zhì)構(gòu)建的8.96Ah軟包全電池能量密度達(dá)到604Wh/kg，遠(yuǎn)超當(dāng)前主流商用電池水平。

這一研究成果于2025年9月24日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》，標(biāo)題為《調(diào)控聚合物電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)600 Wh kg?1鋰電池》，標(biāo)志著我國(guó)在高能量密度固態(tài)電池研發(fā)方面邁出了關(guān)鍵一步。

傳統(tǒng)固態(tài)電池設(shè)計(jì)中，為改善電極與電解質(zhì)之間的固-固接觸，常采用施加數(shù)百個(gè)大氣壓的高外壓或構(gòu)建多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，高外壓在實(shí)際器件中難以維持，復(fù)雜結(jié)構(gòu)又會(huì)引入界面阻抗升高、層間匹配困難等新問題。

張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了“富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略，通過在聚醚電解質(zhì)中引入強(qiáng)吸電子含氟基團(tuán)，顯著提升了其耐高壓性能，使其能夠匹配4.7V高電壓富鋰錳基正極，實(shí)現(xiàn)了單一電解質(zhì)對(duì)高電壓正極與金屬鋰負(fù)極的同步兼容。

該團(tuán)隊(duì)基于鋰鍵化學(xué)原理，構(gòu)建了獨(dú)特的“-F…Li?…O-”配位結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)形成具有高離子電導(dǎo)率的富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電極表面衍生出富含氟化物的穩(wěn)定界面層，顯著提升了界面穩(wěn)定性。

電解質(zhì)通過熱引發(fā)原位聚合技術(shù)，有效增強(qiáng)了固態(tài)界面的物理接觸與離子傳導(dǎo)能力，從而在避免高外壓和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的條件下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效界面的構(gòu)建。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，采用該電解質(zhì)組裝的富鋰錳基聚合物電池首圈庫(kù)侖效率達(dá)91.8%，正極比容量為290.3mAh/g，在0.5C倍率下循環(huán)500次后容量保持率仍達(dá)72.1%。

圖說：基于含氟聚醚電解質(zhì)的全電池綜合性能卓越

來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09565-z

更令人矚目的是，基于該電解質(zhì)構(gòu)建的8.96Ah聚合物軟包全電池在僅施加1MPa外壓下，能量密度就達(dá)到了604Wh/kg。

作為對(duì)比，目前商業(yè)化磷酸鐵鋰電芯能量密度約為150–190Wh/kg，鎳鈷錳酸鋰動(dòng)力電芯能量密度約為240–320Wh/kg，這一突破意味著能量密度實(shí)現(xiàn)了跨越式提升。

在安全性方面，該電池同樣表現(xiàn)出色。滿充狀態(tài)下順利通過了針刺與120°C熱箱（靜置6小時(shí)）測(cè)試，未出現(xiàn)燃燒或爆炸現(xiàn)象，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和安全性能。

這一突破不僅解決了固態(tài)電池在高能量密度下的界面穩(wěn)定難題，也為開發(fā)實(shí)用化的高安全性固態(tài)鋰電池提供了全新的思路與技術(shù)路徑。

該研究由清華大學(xué)化工系博士后黃雪妍為第一作者，張強(qiáng)教授與助理研究員趙辰孜為通訊作者，合作團(tuán)隊(duì)包括北京理工大學(xué)、美國(guó)康奈爾大學(xué)等多所高校的研究人員。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，高安全、高能量密度的固態(tài)電池被視為動(dòng)力電池的終極解決方案之一。

此次聚合物電解質(zhì)領(lǐng)域的創(chuàng)新，不僅推動(dòng)了富鋰錳基聚合物軟包電池能量密度的大幅提升，也為未來電動(dòng)航空、人形機(jī)器人等高端裝備的動(dòng)力系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)儲(chǔ)備。