全固态金属锂电池固-固界面接触难题，中科院物理所获得突破

抖音热门 2025年10月08日 20:24 0 admin

信息来源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/10/552736.shtm

全固态金属锂电池实用化的最大障碍即将被扫除。中国科学院物理研究所黄学杰研究员团队联合华中科技大学和中科院宁波材料所的研究人员，开发出一种革命性的阴离子调控技术，成功解决了困扰该领域多年的固-固界面接触难题。这项突破性成果同时发表在《自然·可持续发展》和《先进材料》两大顶级期刊上，标志着被誉为储能技术"圣杯"的全固态电池距离大规模商业应用又近了一大步。

传统全固态电池面临的核心挑战在于固态电解质与金属锂电极之间的界面接触问题。由于材料的刚性特性，两个固体表面很难实现完美贴合，微观层面存在大量孔隙和裂缝。这些缺陷不仅导致离子传输阻力增大，还可能引发锂枝晶生长，带来安全隐患。为了维持界面稳定，现有技术必须依靠外部设备持续施加超过5兆帕的压力——相当于50个大气压，这使得电池系统变得笨重复杂，严重阻碍了产业化进程。

中国团队的创新解决方案巧妙地利用了电化学原理。研究人员在硫化物电解质中引入碘离子作为"界面工程师"。当电池工作时，碘离子在电场驱动下主动迁移到电极界面，形成一层富碘的功能界面。这层界面具有独特的"自适应"特性，能够主动吸引锂离子，像流动的沙子一样自动填充所有微小的缝隙和孔洞，实现电极与电解质之间的紧密贴合。

技术机制与性能突破

（物理所供图）

这种"流沙"效应的实现机制体现了研究团队对电化学界面行为的深刻理解。碘离子的引入并非简单的掺杂，而是精心设计的功能性改性。在电池充放电过程中，碘离子会在界面处发生可逆的氧化还原反应，形成动态平衡。这种动态过程不仅维持了界面的电化学活性，还赋予界面自我修复的能力。

更令人振奋的是，基于该技术制备的原型电池在性能测试中表现卓越。在标准测试条件下，电池经历数百次充放电循环后仍保持稳定的性能表现，远超现有同类产品。研究团队预测，采用这项技术制造的电池能量密度有望突破500瓦时/千克的关键节点，这意味着电子设备的续航时间可提升两倍以上。

美国马里兰大学固态电池专家王春生教授对这一成果给予高度评价："该研究从本质上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。传统技术需要施加超过5兆帕的外力来维持界面稳定，这种严苛条件严重阻碍了其产业化进程。而这项中国团队开发的创新技术，从根本上改变了这一困境。"

这种界面工程策略的优势不仅体现在技术层面，更具有重要的经济意义。无需外部加压设备意味着电池系统的设计可以更加简化，制造成本显著降低。同时，材料利用效率的提升和工艺流程的简化，都将为大规模生产创造有利条件。

产业化前景与应用领域

全固态锂电池技术的突破将对多个高端应用领域产生深远影响。在电动汽车领域，更高的能量密度意味着相同重量的电池包可以提供更长的续航里程，或者在保持现有续航能力的前提下显著减轻车辆重量。这种改进对于电动汽车的普及和性能提升具有决定性意义。

人形机器人是另一个极具潜力的应用方向。机器人对电池的要求不仅包括高能量密度，还需要优异的安全性和可靠性。全固态电池的本质安全特性，结合新技术带来的界面稳定性提升，使其成为人形机器人的理想动力源。随着人工智能技术的快速发展，人形机器人市场有望迎来爆发式增长，对高性能电池的需求将急剧增加。

电动航空是新兴的应用领域，对电池技术提出了极其严格的要求。航空器对重量极其敏感，同时对安全性的要求远超地面应用。全固态电池的高能量密度和本质安全特性，使其成为电动航空发展的关键技术。随着城市空中交通和电动飞机概念的兴起，这一领域的市场潜力巨大。

从全球电池产业竞争格局来看，这项技术突破为中国在下一代电池技术竞争中占据优势地位提供了重要支撑。目前，全球主要电池厂商都在加大对固态电池技术的研发投入，但界面接触问题始终是制约技术成熟的关键因素。中国团队在这一核心技术上的突破，有望推动中国电池产业在全球价值链中的地位进一步提升。

然而，从实验室成果到大规模商业化应用仍面临诸多挑战。首先是工艺放大问题，实验室制备工艺需要适应大规模生产的要求，这通常涉及设备改进、质量控制和成本优化等多个方面。其次是材料供应链建设，碘离子掺杂技术需要建立相应的原材料供应体系和质量标准。

成本控制是另一个关键考虑因素。虽然新技术简化了电池系统设计，但碘离子掺杂工艺和特殊界面处理可能增加制造成本。如何在保证性能的前提下实现成本可控，将是技术产业化过程中需要重点解决的问题。

长期稳定性和可靠性验证也是必不可少的环节。虽然初步测试结果令人鼓舞，但电池产品通常需要经过数年的长期测试才能确保在各种复杂应用环境中的可靠性。这种验证过程需要大量时间和资源投入。

技术发展趋势与未来展望

这项突破性技术的成功开发，反映了固态电池研究从材料创新向界面工程转变的重要趋势。过去的研究主要关注电解质材料的离子导电性和化学稳定性，而界面问题往往被视为工程实现中需要解决的次要问题。随着材料性能的不断提升，界面工程已成为决定电池整体性能的关键因素。

从技术发展轨迹来看，固态电池技术正在从实验室阶段向产业化过渡。全球主要汽车厂商和电池制造商都制定了固态电池商业化时间表，普遍预期在2028-2030年实现规模化生产。中国团队的技术突破有望加速这一进程，推动全固态电池提前进入商业应用阶段。

这项研究的成功也为其他界面工程策略提供了重要启发。阴离子调控的思路可能适用于其他固态电池体系，为解决不同材料组合的界面问题提供新的技术路径。这种方法论上的创新价值可能超越具体技术本身的意义。

从更广阔的视角来看，全固态电池技术的成熟将推动整个储能产业的变革。更安全、更高效的电池技术不仅服务于移动应用，还将为电网储能、可再生能源集成等领域带来新的可能性。这种技术进步对于实现碳中和目标和推动能源转型具有重要意义。

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