2万次弯折只是开始，固态电池商用突破“界面魔咒”

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固态电池被“界面”卡住了脖子

高性能、长寿命、柔性、固态电池……这几个词结合在一起突破性显而易见，但真正值得关注的技术亮点其实藏在这些名词的背后。

近日，中国科学院（下简称“中科院”）金属研究所科研团队成功开发出一种一体化柔性固态电池，展现出卓越的机械稳定性，可耐受2万次弯折。

中国科学院金属研究所研发的最新固态电池

能弯折2万次当然是个亮点，但更重要的是，科研团队提出了一个创新方案，专门针对固态电池的界面调控机制，这才组成了这款特别耐用的新电池。

固态电池的界面调控问题，几乎是阻碍固态电池大规模商用的核心技术难题。

固态电池简言之就是指将传统动力电池中的液态电解液换为固态。相比液态锂电池，固态电池存在诸多优点，比如固态电池热稳定较好，漏液、碰撞起火等隐患大幅减少；能量密度更高，目前液态电池的能量密度基本达到理论最高值的250—300Wh/kg，而固态电解质的能量密度可达500Wh/kg；此外，固态电池在倍率性能、循环寿命等方面均优于液态电池。

固态电池示意图

按照固态电池的设计，固态电解质负责导离子，电极负责储离子，二者之间无可避免有一个界面接触差，这成为固态电池的性能瓶颈。

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当坚硬“公路”撞上“仓库门”

整个固态电池可以想象成一个“快递系统”，锂离子等带电粒子就是要运送的“货物”，固态电解质就是运送货物的“公路”，正极、负极就是负责接收、存放和发出货物的“仓库”。

液态电池的“公路”是“水路”，阻力小，自然能更顺利、快速地将货物从一头运到另一头，还能直接贴合“仓库”，把货物运送到位。如果把液态电解质换成像陶瓷碎片一样的固态电解质，当然好处巨大，虽然“运货”慢一些，但这条路能“跑”得更久，还更安全。

可问题是，当我们把一条坚硬的、不会变形的“公路”，直接怼到一个巨大的、同样坚硬的“仓库”门口，会发生什么？

首先几乎不可能完美贴合。电极的接触面再光滑，在显微镜下也是坑坑洼洼的。同样坚硬的电解质又没办法像液体一样填充每个缝隙，实现百分之百的紧密接触，它们之间始终会有无数肉眼难察的缝隙。

其次就是“货物”运输没那么流畅了。离子需要剥离固态电解质，进入电极；但现在两者之间有缝隙，离子很难一下子“跳”过去，导致“入库”的效率极低。

还有就是固态电解质和电极之间还会产生一些微妙的化学反应，仍会在交汇处形成一层令人讨厌的“杂草墙”，即锂枝晶，直接把“仓库门”堵上，离子更过不去了。

以上这些难题总结下来就是“二者的界面接触差”：固态电解质没办法与电极紧密接合，导致离子交换缓慢，由此成为了固态电池的性能瓶颈。

固态电池的固-固接触面总会有缝隙

如果我们用了真正的固态电池，明显的感受就是充电慢、放电能力弱、电池寿命变短……中科院金属研究所科研团队要解决的就是固-固界面阻抗高、离子传输效率低这一难题。

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分子链上“长出”的智能材料

目前一些企业在固态电池产品上采用的解决方法大多是“修补接口”：把正极接触面加入些液态成分，让两者变得没那么疏离。还有一种“半固态”电池，电解质其实是胶状物，蒙混过关。

在锂离子电池中，正极通常由正极活性材料（CAM）、聚合物黏合剂和导电添加剂组成，固态电池主要要解决的就是正极和电解质之间的问题。

“修补接口”的方法实际上是将正极活性材料和一部分固态电解质提前混合制备，形成一种复合正极，之后再去跟固态电解质进行混合。

这个复合正极相当于一座“桥梁”，降低了固态电解质与电池正极表面的异质接触；但同时也因为它只提供锂离子的传导功能，无法储存锂离子，却又占了电池正极的一部分空间，所以又间接拉低了固态电池正极的存储能力。

中科院的这项突破，可以说不是在建“桥”，而是在“种”一棵神奇的树，它的根系（电解质）和枝叶（电极）天生就长在一起，完美解决了固态电池的界面难题。

简单来说，研究团队重新设计了复合正极本身的结构，成功开发出一种集“离子传导”与“离子储存”功能于一体的新型聚合物材料P(EO₂-S₃)。

团队先是利用聚合物分子的可设计性，像拼乐高一样，创造了一种全新的分子链；接着在这个链上，他们同时“安装”了两种功能模块，分别是具备离子传导功能的“乙氧基团”和具有氧化还原活性的“短硫链”。

将这两种功能集成在同一聚合物分子中，相当于让“道路”和“仓库”天生就长在了一起，在分子尺度上实现了无缝衔接，从根本上消除了界面缝隙。

这种材料的神奇之处还在于它在不同工作阶段的智能切换。实验数据表明，P(EO₂-S₃)的电子结构可随电压变化发生可逆转变，这意味着，在电池充电时，当电压达到某个值，它更倾向于开启“离子高速通道”模式，让锂离子快速通过；而在放电时，电压变化，它又切换为“离子仓库”模式，高效地释放储存的离子。

下一代高性能、柔性、长寿命固态锂电池很有可能会在这一技术路径的引导下，大放异彩！

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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