续航与安全不可兼得？

两大界面难题被清华团队打破！

电池能量密度从普遍的

150~320 Wh kg⁻1

一跃提升至604 Wh kg⁻1

并通过针刺与120℃高温安全测试

近期

清华大学化工系张强教授团队合作

提出“富阴离子溶剂化结构”设计新策略

成功开发出一种新型含氟聚醚电解质

构筑出能量密度达604 Wh kg⁻¹的

高安全聚合物电池

研究成果

以“调控聚合物电解质溶剂化结构

实现600 Wh kg⁻¹锂电池”为题

于9月24日在线发表于《自然》（Nature）

该研究为开发实用化的

高安全性、高能量密度固态锂电池

提供了新思路与技术支撑

Nature网站论文截图

文末点击“阅读原文”，了解论文详情

张强（左三）指导学生

如何破解固态电池界面难题？

面向电动汽车、电动飞行器

人形机器人等前沿领域

对动力系统提出的高能量、高安全需求

开发兼具高能量密度

和优异安全性能的电池器件

已成为当前储能领域的核心挑战

固态电池

凭借其高能量密度和本征安全潜力

被广泛视为

下一代二次锂电池的重要发展方向

尤其是以富锂锰基层状氧化物

作为正极材料的固态电池体系

展现出实现能量密度

突破600 Wh kg−1的潜力

然而

固态电池在实际应用过程中

仍面临两大界面难题

固-固材料之间

因刚性接触导致的界面阻抗大

以及电解质在宽电压窗口下

难以同时兼容高电压正极

与强还原性负极的极端化学环境

例如，聚醚电解质其聚合物组分

在电压高于4.0 V（vs. Li/Li⁺）时

会发生氧化分解

引发持续的界面副反应与性能衰减

制约了其进一步发展

在传统固态电池设计中

常施加高压（上百个大气压）

或构建多层电解质

以改善界面接触与兼容性

然而

高外压条件在实际器件中难以稳定维持

复杂的多层结构

会引入界面阻抗升高、层间匹配困难

离子传输不畅等新问题

限制电池整体性能

如何在避免高外压和结构复杂化的前提下

构建稳定高效的固-固界面

成为该领域的关键科学挑战

“电池更安全、能量密度更高”

针对以上挑战

张强教授团队提出了

“富阴离子溶剂化结构”设计新策略

成功开发出一种新型含氟聚醚电解质

该电解质通过热引发原位聚合技术

有效增强了固态界面的

物理接触与离子传导能力

团队在聚醚电解质中

引入强吸电子含氟基团

显著提升了其耐高压性能

使其可匹配4.7 V高电压富锂锰基正极

实现了单一电解质对高电压正极

与金属锂负极的同步兼容

基于锂键化学原理

团队构建了“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”配位结构

诱导形成具有高离子电导率的

富阴离子溶剂化结构

在电极表面衍生出富含氟化物的稳定界面层

显著提升了界面稳定性

研究通过设计含氟聚醚电解质，实现了从分子结构到界面性能的创新：强吸电子基团拓宽了电压窗口；“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”锂键配位结构诱导形成富氟界面层，增强稳定性。最终成功构筑出能量密度达604 Wh kg⁻¹的高安全聚合物电池

得益于优化的界面性能

采用该电解质组装的富锂锰基聚合物电池

表现出优异的电化学性能

首圈库仑效率达91.8%

正极比容量为290.3 mAh g-1

在0.5 C倍率下循环500次后

容量保持率为72.1%

8.96 Ah聚合物软包全电池

在施加1 MPa外压下

能量密度达到604 Wh kg-1

作为对比

目前商业化磷酸铁锂储能/动力电芯

能量密度约为150~190 Wh kg-1

镍钴锰酸锂动力电芯

能量密度约为240~320 Wh kg-1

基于含氟聚醚电解质的全电池（a）综合性能卓越：0.5 C循环500次容量保持率72.1%（b）；8.96 Ah软包电池能量密度达604 Wh kg⁻¹（c），且显著优于其他体系（d）。热失控起始温度高，顺利通过针刺与热箱测试

在满充状态下

该电池还通过了

针刺与120°C热箱（静置6小时）安全测试

无燃烧或爆炸现象

展现出优异的安全性能

该研究为开发实用化的

高安全性、高能量密度固态锂电池

提供了新思路与技术支撑

化工系张强教授（左四）团队合影

清华大学化工系博士后黄雪妍为论文第一作者，清华大学化工系教授张强、助理研究员赵辰孜为论文通讯作者。

论文链接：

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

来源｜化工系

排版&编辑｜彭稳平

责编｜苑洁

审核｜刘蔚如

清华大学版权所有

联系邮箱：thuxwzx@tsinghua.edu.cn

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