中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室团队在《自然·通讯》发表重要成果,其研发的电诱导加速聚合界面修复技术成功解决全固态钠离子电池(全固态钠电)产业化核心难题——Ah级全固态软包电池在无外部加压条件下稳定循环超1000圈,为低成本储能技术规模化应用扫清关键障碍。
固态电池的"阿喀琉斯之踵":界面困境
全固态电池因高安全性与能量密度被视为下一代储能技术核心,而钠基材料凭借资源丰富、成本低廉的优势成为优选。但固态电解质与电极间的界面问题,长期阻碍技术落地。
"就像两块干燥的玻璃,叠放再紧密也存在缝隙。"大连化物所杨庭舟教授形象的比喻,道出全固态电池产业化的核心痛点。作为电池"心脏瓣膜",固态电解质承担钠离子传输关键作用,但陶瓷材质的脆性使其从制备到使用都如履薄冰。实验室主任陈忠伟展示的电镜照片显示,微米级裂纹如蛛网般蔓延,表面孔隙如同断头路上的坑洼。这些肉眼不可见的缺陷,导致界面接触不良,引发钠离子传输效率低下与金属钠枝晶生长,最终造成电池失效。
更棘手的是,这一问题形成恶性循环:脆性导致裂纹→裂纹引发阻抗升高→枝晶加剧裂纹扩展→性能加速衰减。传统机械压实或高温处理均无法在微观尺度维持稳定界面,尤其在电池长期循环产生体积变化时,界面接触会加速退化。
电诱修复:21.4倍提速的"微创手术"
"既然外部强制手段行不通,能不能让界面自己'长'出修复层?"陈忠伟团队提出的这一构想,催生了带电"修复胶"微滴的创新方案。
这种由可聚合单体与导电粒子组成的特殊体系,通过电场精准控制聚合过程,实现"一箭双雕":既填充微裂纹,又形成保护膜。团队建立的电润湿铺展、微滴迁移与链式聚合耦合机制模型,通过大量数据拟合,明确了电场强度、单体极性与聚合速率的定量关系。
装备创新成为关键支撑。团队自主设计的原位表征装置,首次实现微裂纹修复过程的"可视化"监测:"修复胶"像水一样渗入500纳米微裂纹,30秒内完成固化。最终,采用该策略的全固态钠电临界电流密度提升至6.8毫安每平方厘米,是传统电池的3倍以上;1.0C倍率下循环1000圈后容量保持率超90%。
无压稳循:从实验室到量产的关键一跃
在实验室中试车间,Ah级软包电池在无外部夹持装置下连续循环800多圈,电压曲线依然平稳。这一成果彻底打破了传统固态电池需10-20兆帕压力维持界面接触的制约,使卷绕、叠片等传统锂电池成熟工艺可直接兼容,大幅降低量产门槛。
产业影响:
大规模储能:度电成本有望降低30%以上,长期来看或降至0.3元以下
新能源汽车:零下40℃到60℃宽温域性能,解决北方冬季续航衰减难题
安全性:彻底摒弃电解液,极大提升电池安全性
尽管成果显著,团队清醒认识到量产之路仍需攻坚:超薄电解质膜批次一致性、修复胶规模化合成工艺等仍需优化。下一步,团队将重点突破公斤级固态电解质制备技术、设备连续化改造、构建全链条中试体系。
"随着界面修复技术不断成熟,全固态电池正从科研成果转化为新质生产力。"陈忠伟表示,这一突破为我国在全球储能领域抢占技术制高点提供了坚实支撑。
(编辑:黄风 来源:时事126)
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