佳禾资本破解固态电池“快充”难题清华大学发表最新研究成果

　　据清华大学官方微信消息，电动车充电慢、冬天“趴窝”、安全隐患大等问题如何解决？传说中的下一代固态电池何时才能商用？同时实现“快充”和“长寿命”是固态电池实用化面临的关键挑战。

　　近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、贺艳兵教授团队联合天津大学杨全红教授团队联合攻关，为固态锂金属电池构建出外柔内刚的梯度结构。如同为锂金属负极表面穿上“塑性铠甲”，为长期困扰行业的固态电池界面失效问题提供了全新解决策略。

　　团队合影

　　北京时间10月30日零时，研究成果以“用于固态电池的塑性固态电解质界面”（A ductile solid electrolyte interphase for solid-statebatteries）为题在线发表于《自然》（Nature）。

　　《自然》文章截图

　　固态电池的“铠甲”, 为何如此脆弱?

　　固态锂金属电池因其高能量密度和高安全性被誉为下一代动力电池的发展方向，在电动汽车和大规模储能等方面具有广阔的应用前景。

　　然而，固态电池的商业化长期受困于固态电解质的低离子电导率和固态电解质/电极差的固-固界面稳定性等难题。导致在大电流密度、低温等严苛工况下容易发生界面失效等问题。

　　锂金属负极表面传统富无机组分固态电解质界面（下称“SEI”）相当于电池的一层保护膜，虽然坚硬，但脆弱，一旦破裂，不仅会拖慢充电速度，更会导致短路等问题。使得固态电池难以实现低温和大电流密度下的长寿命稳定循环，在快充和低温环境下寿命急剧缩短。

　　“塑性铠甲”的研发

　　让固态电池寿命危机迎来破局点

　　“让老百姓用上更安全、更高效的电池”是团队的研究初心。康飞宇带领的能源材料团队一直关注电池安全的课题。

　　近年主要针对本征安全电池开展研究，而作为深耕电池领域20余年的科研工作者，贺艳兵长期致力于固态电池领域研究。

　　针对上述挑战，团队创新性地提出了“塑性富无机SEI”的设计理念，开发出兼具优异机械性能，锂离子传输性能和梯度亲锂/疏锂特性的新型塑性SEI，大幅度提升了固态电池在大电流密度下和低温下的循环稳定性。

　　塑性SEI的组分筛选及其在固态电池循环过程中的作用示意图

　　团队从SEI结构和模型进行源头创新，将“塑性”特征作为新型SEI组分筛选的核心指标，并进行了人工智能加速的理论筛选，发现硫化银、氟化银等材料不仅具备良好的塑性变形能力，还能显著降低锂离子的扩散能垒。

　　塑性富无机SEI的结构和组分解析

　　在塑性SEI目标组分筛选的基础上，研究团队设计了一种含AgNO3添加剂和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的有机/无机复合固态电解质。该体系可在固态电池运行中，将脆性Li2S/LiF组分转化为塑性Ag2S/AgF组分构建出具有外柔内刚梯度结构的SEI。这种SEI多层级结构协同的设计理念犹如为锂金属负极量身定制了一套“塑性铠甲”，既保证了在低温和大电流密度条件运行过程中界面层的结构完整性，又实现了高效的离子传输，并抑制了副反应。

　　同时研究还显著提升了复合固态电解质的体介电性能，构筑了高效的锂离子传输通道，实现了锂离子的快速、均匀沉积反应。

　　塑性富无机SEI的优异塑性变形能力和机械稳定性

　　“塑性SEI”使固态电池展现出优异的电化学性能，即使在-30℃的低温环境中，对称电池仍能在5 mA cm–2的电流密度和5 mA h cm–2面积容量下稳定循环7000小时以上。该工作开创性地将“塑性”作为特征指标为解决固态电池的界面失效问题提供了全新策略。为新型界面层设计提供重要理论依据，对实用化固态电池研发具有实用价值，为“快充”与“寿命”难以得兼的问题找到了新的突破口。