固態(tài)電池極端環(huán)境性能瓶頸或有解

在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的當(dāng)下，電池性能始終是制約行業(yè)升級(jí)的核心要素。近期，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院與天津大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了一種“柔性裝甲”涂層，為固態(tài)電池帶來(lái)了性能革新。該涂層可使電動(dòng)汽車(chē)固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)4500小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，即便在嚴(yán)寒等極端條件下也能保持優(yōu)異表現(xiàn)，為固態(tài)電池的實(shí)用化進(jìn)程注入關(guān)鍵動(dòng)力。

電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，推動(dòng)汽車(chē)制造商持續(xù)加大對(duì)電池技術(shù)的研發(fā)投入。多年來(lái)，固態(tài)電池憑借一系列突出優(yōu)勢(shì)，被工程師們公認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)電池的未來(lái)方向。相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，固態(tài)電池不僅儲(chǔ)能密度更高，能支撐更長(zhǎng)續(xù)航里程，更以固態(tài)電解質(zhì)替代了易燃液態(tài)電解質(zhì)，從根源上降低了電池過(guò)熱和起火的安全隱患，同時(shí)還具備動(dòng)力輸出更強(qiáng)、使用壽命更長(zhǎng)的特性。這些優(yōu)勢(shì)使其成為破解電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航焦慮、安全顧慮的理想解決方案，但受制于技術(shù)瓶頸，固態(tài)電池的規(guī)模化量產(chǎn)一直進(jìn)展緩慢。

阻礙固態(tài)電池量產(chǎn)的核心難題在于極端工況下的性能穩(wěn)定性。在快速充電過(guò)程中，電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)力，而在嚴(yán)寒天氣等低溫環(huán)境下，鋰離子傳輸速度會(huì)顯著下降，不僅導(dǎo)致電池性能衰減，還容易引發(fā)鋰枝晶生長(zhǎng)，在這些因素的共同作用下，固態(tài)電池極易出現(xiàn)內(nèi)部裂紋，嚴(yán)重影響其使用安全性和壽命。即便科研人員已將復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率提升至滿(mǎn)足性能目標(biāo)的水平，但要在高電流密度和區(qū)域容量條件下，實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的長(zhǎng)周期穩(wěn)定循環(huán)，仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

這一系列問(wèn)題的癥結(jié)，最終指向鋰金屬負(fù)極表面形成的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。作為電池內(nèi)部的關(guān)鍵保護(hù)層，SEI膜的質(zhì)量直接決定了電池的電荷損失控制、倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和使用安全性，其形成源于電解質(zhì)在電池首次循環(huán)過(guò)程中的分解反應(yīng)。但傳統(tǒng)SEI膜普遍存在堅(jiān)硬、脆性的固有缺陷，在電池充放電產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力或溫度變化影響下，極易發(fā)生破裂。一旦SEI膜出現(xiàn)裂紋，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部鋰沉積不均勻，進(jìn)而加速鋰枝晶生長(zhǎng)和電池衰減，最終造成電池性能快速退化、使用壽命大幅縮短。

為破解這一關(guān)鍵瓶頸，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院的Feiyu Kang教授、Yanbing He教授與天津大學(xué)的Quanhong Yang教授團(tuán)隊(duì)，提出了一種全新的技術(shù)思路——通過(guò)提升SEI膜的柔性而非硬度，增強(qiáng)電池的抗應(yīng)力能力。這一研究成果已以《用于固態(tài)電池的韌性固體電解質(zhì)界面》為題，于2025年10月29日發(fā)表在《自然》期刊上。

研究團(tuán)隊(duì)采用硫化銀（Ag?S）與氟化銀（AgF）兩種銀基材料，成功研發(fā)出一種具備高韌性的柔性SEI膜。這種新型SEI膜打破了傳統(tǒng)涂層“堅(jiān)硬即耐用”的認(rèn)知，能夠在承受應(yīng)力時(shí)實(shí)現(xiàn)輕微彎曲而不破裂，既保持了自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又能高效保障鋰離子的順暢遷移。同時(shí)，作為電池內(nèi)部的保護(hù)層，它依然能有效阻止電解質(zhì)進(jìn)一步分解，為電池核心部件提供持續(xù)防護(hù)。其獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠讓電池內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力均勻分布，從源頭避免裂紋產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)失效，同時(shí)在充放電全過(guò)程中確保鋰離子均勻擴(kuò)散，徹底解決了傳統(tǒng)SEI膜破裂引發(fā)的一系列連鎖問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了該技術(shù)的突破性：團(tuán)隊(duì)新設(shè)計(jì)的固態(tài)電池在高應(yīng)力條件下可連續(xù)工作超過(guò)4500小時(shí)，展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的耐用性和穩(wěn)定性，證明了“柔性裝甲”涂層卓越的長(zhǎng)期抗破裂、抗衰減能力。更令人矚目的是，在-30℃的極端低溫環(huán)境中，該電池仍能保持穩(wěn)定性能運(yùn)行超過(guò)7000小時(shí)，而這一溫度條件下，普通固態(tài)電池往往會(huì)因鋰離子傳輸停滯、內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損而完全失效。這種軟硬材料梯度分層的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部應(yīng)力分布、抑制裂紋產(chǎn)生、保障鋰分布均勻性，全方位提升了電池在極端工況下的適應(yīng)能力。

盡管取得了顯著突破，但固態(tài)電池的規(guī)模化應(yīng)用仍需跨越多重挑戰(zhàn)。科研人員明確表示，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)并非量產(chǎn)的“捷徑”，規(guī)模化生產(chǎn)將是下一階段的核心考驗(yàn)。銀基化合物的較高成本，對(duì)量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成了一定壓力；而如何實(shí)現(xiàn)涂層的高速、大面積均勻涂覆，精準(zhǔn)控制涂層厚度與均勻性，更是工業(yè)生產(chǎn)中需要攻克的技術(shù)難題。

不過(guò)，這項(xiàng)研究依然為固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了重要路徑。它成功解決了極端條件下固態(tài)電池的可靠性和使用壽命問(wèn)題，為固態(tài)電池在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著后續(xù)量產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化和成本控制的突破，柔性SEI膜技術(shù)有望推動(dòng)固態(tài)電池加速落地，徹底改變電動(dòng)汽車(chē)的能源供給格局，為新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大支撐。