全固态电池又有重大突破！研究团队回应

今日快讯 2025年10月09日 21:19 0 aa

近日，中国科学院物理研究所研究员黄学杰团队联合华中科技大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所等组成的研究团队在全固态金属锂电池界面领域的研究成果发表在国际学术期刊《自然-可持续发展》上。

据新华社报道，美国马里兰大学固态电池专家王春生教授评价道：“该研究解决了制约全固态电池商业化的关键瓶颈问题，为实现其实用化迈出了决定性一步。”

全固态金属锂电池的界面问题一直困扰着所有的研究人员，听闻这条重要消息，《中国汽车报》记者第一时间采访了黄学杰。

01 界面难题长期待解

人们憧憬全固态金属锂电池的美好前景，但实现起来确实不容易。金属锂负极因其最低还原电位和超高比容量被视为锂电池中“理想负极”，而全固态电池被认为是发挥金属锂负极的最好电池体系。但自从1923年吉尔伯特•牛顿•路易斯（Gilbert N. Lewis）计算出金属锂的标准电极电位，后续近百年的时光流逝，经历各种尝试始终难以在液态或全固态二次电池中将金属锂负极真正工程化。其中，全固态金属锂电池的界面难题成为横在所有电池人面前的一座大山。

黄学杰告诉记者，锂金属负极与固体电解质之间界面处易生成孔洞且随循环而恶化，从而导致界面接触失效和性能快速衰减，是全固态金属锂电池面临的主要挑战之一。

全固态电池的界面接触难题，用插头与插座进行类比可能更直观。当插头与插座接触不良，插线板的插孔处会被烧黑，而两者接触良好就不会有这种现象。

曾有专家在固态电池的会议演讲中提到，硫化物固体电解质与金属锂负极的接触面积不足，初始阻抗可能超过1000Ω/cm²。家用电器的插头与插座之间的电阻常见范围为1mΩ~100mΩ。如果接触不良，则插头与插座之间的电阻可能超过1Ω，甚至达到数十欧姆。

按照高中物理知识，P=I²R（I为电流，R为接触电阻），电流越大，电阻越高，损耗功率越大，发热现象越严重。插头与插座接触不良尚且会发生烧黑插线板的现象，在全固态金属电池界面之间的电阻将会更高。

界面接触不良还伴随着三个问题。1）全固态金属电池中电解质与电极材料发生氧化还原反应，生成高阻抗界面层（如锂枝晶、钝化层），增加内阻并引发容量衰减，即出现界面副反应。2）在充电过程中局域形成锂枝晶也是非常危险的。因为接触不良使锂离子沉积不均形成枝晶，可能刺穿电解质层导致短路，尤其在硫化物电解质中因电化学窗口窄更易发生。3）在放电过程中局域形成锂孔洞，导致接触不良，需要通过外部压力来保持负极和电解质的接触。

02 各国研究机构积极寻求解决之道

为了解决全固态金属锂电池这一难题，各国研究机构都在积极努力，寻求各种解决办法，但提出的办法都有需要克服的困难。

在全固态金属锂电池中，采用加压方法解决界面接触难题是一种有效且广泛应用的策略，其核心原理是通过机械压力改善固体电解质与电极之间的物理接触，从而降低界面阻抗、抑制副反应并提升电池性能。

据专家介绍，硫化物电解质与锂金属负极在1 MPa压力下，初始阻抗可降低80%。在2MPa压力下，锂沉积的枝晶生长速率降低90%。立杆见影的效果引来多个机构进行尝试。

丰田早期的全固态电池原型就采用外部加压方式，压力达5MPa。但这种方法会增加电池体积和重量，难以商业化。

QuantumScape采用陶瓷-聚合物复合电解质，通过弹性封装层提供0.3MPa自约束压力。这种方法无需外部设备，适合规模化生产。但是，成本难以降低，商业化之后经济性很难体现出来。还有多家机构采用了类似的加压方法，都未取得满意的效果。

与机械加压思路不同的是，美国马里兰大学在全固态电池研究中提出“还原性亲电体(REs)策略”。他们的方法是利用二氟磷酰氟原位生成20–30nm超薄SREI界面层，兼具疏锂性、电子绝缘性与高离子导（>1mS/cm）。这种方法的缺点是界面层稳定性需长期循环验证，规模化制备工艺复杂。

动态自适应界面稳定全固态锂电池的机理研究。（a-e）处于剥离状态下，Li–B|Li3PS4界面 (b, c) 和 Li–B|Li3.2PS4I0.2界面 (d, e) 的截面SEM图像和AES元素面分布图。比例尺为50 µm (b, d) 和10 µm (c, e)。（f）传统无动态自适应界面电池界面失效过程示意图。（g）动态自适应界面改善全固态锂电池循环性能的工作机理示意图。

03 引入碘离子

黄学杰的研究团队另辟蹊径，通过调控固体电解质中预置的阴离子（如I-）迁移，在负极/电解质界面处原位形成一层富LiI的动态界面层。该界面层能自适应锂负极的体积变化，在低外部压力甚至零压力下维持“刚性”固体电解质与锂负极之间的紧密接触。

黄学杰说：“采用新思路之后，硫化物电解质（Li–B||Li4Ti5O12电池）在1.25mA cm-2的电流密度下循环2400次后，容量保持率高达90.7%。这个思路解决了锂金属负极与高模量固体电解质之间固-固接触失效的难题。”

据介绍，实现动态自适应界面（DAI）的核心在于改变传统策略，让固体电解质中的部分阴离子实现迁移。传统锂离子导体中阴离子通常被固定在晶格中，锂离子迁移数接近1。黄学杰研究团队通过高通量的键价理论计算，系统评估了多种含锂无机物中锂离子与阴离子的迁移能垒，通过计算，成功定位了可实现阴/阳离子协同迁移的候选材料，最终选定了LiI掺杂的硫化物电解质Li3.2PS4I0.2作为模型电解质体系。

选定的材料是否符合要求呢？实验验证是最好的方式。黄学杰告诉记者，实验验证过程既严谨，也很辛苦。

全球各国都在大力借助AI从事科研工作，黄学杰的团队也不例外，他们首先利用第一性原理分子动力学模拟，深入探究了LiI掺杂的硫化物电解质的离子传输行为。模拟结果显示，方位移随着模拟时间显著增加，证实了这两种阴离子在电场和热驱动下均具备可观的迁移能力。轨迹分析进一步揭示，掺杂的电解质室温总离子电导率高于未掺杂，这为阴离子贡献了额外的离子电导提供了直接证据。

为了直观证实动态自适应界面的形成，研究人员设计了巧妙的实验。采用新思路掺杂后的电池与对称组电池进行实验对比，最终结果表明自适应界面的形成由电化学过程主导生成，而非简单的化学副反应。

动态自适应界面策略为全固态锂电池带来了明显的性能提升。在0.6MPa低压力下，具有5mAh cm-2高面容量的锂对称电池实现了稳定循环。

黄学杰说，实验的综合性能与已报道的文献数据相比具有显著优势。即使将电流密度提升至2.0mA cm-2，含有动态自适应界面的电池仍表现出优异的循环稳定性。

黄学杰团队以钴酸锂为正极组装了3cm × 3cm的软包电池验证本方法的可扩展应用性。众所周知，软包电池中通常要求极低的堆栈压力和体积膨胀。这项成果能符合要求吗？

据介绍，电池测试中首先施加20MPa的压力进行前两次循环，以确保电池各组件间初始接触良好并均匀构筑动态自适应界面，随后释放外部压力进行循环。在释放压力后，电池依然展现出初始放电容量的95%，这表明动态自适应界面自身足以维持界面接触。更重要的是，在零外部压力的条件下，该软包电池循环300次后，容量保持率依然达到74.4%。“这证明了动态自适应界面策略能够有效摆脱全固态电池对高堆栈压力的依赖。”黄学杰说。

为了深入理解动态自适应界面的工作机制，研究人员对循环后的电池界面进行了精细表征。掺杂的电解质在循环后保持了紧密的物理接触，既无孔洞也无锂枝晶形成。研究人员还发现了一个有趣的现象，富LiI的动态自适应界面仅在发生锂剥离的电极一侧形成，并且当电流方向反转时，动态自适应界面的形成位置也会随之动态切换至新的剥离电极。“这表明动态自适应界面的形成是电场驱动的动态过程。”黄学杰说。

研究人员还发现，动态自适应界面的厚度与初始界面粗糙度及锂沉积/剥离的体积效应相关，但其生长是自限制的，不随循环时间、电流密度或电解质中LiI含量的增加而无限增厚。研究人员形象地将动态自适应界面的作用机制比喻为“章鱼触手”行为。

当下，全球范围内正在展开一场全固态电池的技术竞赛，全固态电池上车的量产冲刺也进入关键阶段。黄学杰团队的创新性研究成果刊发之后，引起了多个机构的注意。期待这项成果早日工程化，助力我国新能源汽车抢占全球制高点。

文：万仁美编辑：薛亚培版式：王琨