山东农业大学实现固态锂金属电池新突破

“‘不注液’，能否实现锂金属电池在高压与室温下的长寿命循环？”聚焦固态电池的研发，尤其是其核心部件固态电解质的性能突破，是一场全球科学家一直在攻坚的“硬仗”。

近日，山东农业大学化学与材料科学学院王璐副教授等人在国际知名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》在线发表了题为“Multiscale Engineering of PEO Electrolytes for High-Voltage and Ultrastable Solid-State Lithium Batteries With Exceptional Room-Temperature Performance”的最新研究成果。该研究通过多尺度协同调控，同步实现了聚环氧乙烷（PEO）基全固态电池的室温运行、高压兼容与长寿命稳定三大目标，并系统揭示了阴离子化学在聚合物电解质中的关键作用。这一分子设计策略为高性能固态电解质开发提供了新的思路，也为固态电池的商业化应用奠定了理论基础。

（PEO电解质多尺度工程调控策略示意图 ）

众所周知，在全球“双碳”目标的驱动下，新能源汽车和规模化储能技术飞速发展，锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的能量载体。然而，传统锂离子电池使用液态有机电解质，就像随身携带一小桶“易燃液体”——一旦发生短路、过热或碰撞，就可能引发火灾甚至爆炸。

如何从根源上“防火”？科学家们给出的答案是用固态电解质替代液态电解质。全固态电池不仅本征安全，还能匹配高能量密度的电极材料，被公认为下一代储能技术的核心方向。

王璐副教授介绍，在众多固态电解质材料中，PEO是最受关注的电解质基质之一。它像一张柔韧的高分子网，能够有效溶解锂盐并传导锂离子，兼具柔性和加工性。然而，这张“网”有个致命的短板，即室温下离子“跑得太慢”，一遇上高压正极就容易“罢工”。具体来说，PEO电解质长期面临室温离子电导率低、高压正极兼容性差（超过4V易氧化分解）、循环稳定性不足等三重挑战。

为了解决室温运行的问题，过去的研究一般通过往固态电解质里加液体增塑剂，让它变成半固态的凝胶。这确实能让离子“跑”起来，但本质上是以牺牲安全性为代价的妥协。而且加入液体，也就意味着重新引入了易燃风险。

“有没有一种办法，既保留PEO的优势，又不依赖液体增塑剂，让它在室温、高压环境下能‘跑得欢、守得住、用得久’呢？”该团队通过不断探索，提出一种无需液体增塑剂的多尺度工程策略，协同优化PEO电解质的宏观结构、介观链段运动与微观溶剂化构型，在不引入液态组分的前提下，实现了锂金属电池在高压与室温下的超长寿命循环，为高性能PEO电解质的设计提供了概念验证。

“令人振奋的是，我们设计并合成的PEO电解质，在不添加任何液体增塑剂的前提下，在接近室温（30°C）的条件下仍能稳定运行。搭载这一电解质的固态锂金属电池，其高压三元（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）电池在0.2C倍率下稳定循环超过500周，容量保持率高达82.7%；磷酸铁锂电池更是跑出了1200圈的超长寿命。”王璐副教授说。

化学学院硕士研究生刘学范、青年教师张博闻为本文共同第一作者，化学学院副教授王璐、林学院副教授孔令龙、广东工业大学教授张山青为本文共同通讯作者，山东农业大学为本论文第一完成单位。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金项目、中国博士后面上基金项目和山东省高等学校青创人才引育计划的资助。

（大众新闻记者 李培乐）

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