清华团队把大豆做成固态电池电解质，高温下耐用还环保

IT之家 11 月 2 日消息，清华大学研究人员开发出一种由大豆蛋白制成的可再生材料，有望为下一代固态电池提供高效、长寿命的动力来源。

据IT之家了解，目前广泛应用于智能手机和电动汽车等领域的锂离子电池，其“接班人”被认为是固态电池。固态电池的核心创新在于电解质 —— 作为电池关键组成部分，它在电极之间起到桥梁作用，使金属离子得以通过并产生电流。顾名思义，固态电池用固体材料取代传统液态电解质，从而实现更快充电速度，并有望将储能容量提升一倍。

尽管固态电池在性能和成本方面仍需进一步优化以具备市场竞争力，但近年来一个备受关注的解决方案是：采用可再生材料制造固态电解质。这种方法不仅有助于降低电池生产对环境的影响，还能同时提升电池的性能与安全性。

“我们的研究推动了绿色、可持续生物质材料在电池科学与技术领域中的应用，为构建更清洁、高效和可持续的未来贡献力量。”清华大学教授、该研究论文作者之一申洋（Yang Shen，音译）表示，“相比传统固态电解质，我们利用可再生的大豆蛋白开发出的高性能电解质，能够减少废弃物产生，显著降低环境影响。”

大豆蛋白是一种可再生、低成本且易于大规模种植的材料，因此成为制造经济环保型电池的理想候选者。天然大豆蛋白具有允许离子穿行的结构特性，同时也便于科学家对其进行化学改性，从而灵活调控其性能，适配多种应用场景。

申洋指出：“大豆蛋白目前主要应用于食品和医疗行业，其易获取、无毒性和可生物降解的特点，使其在其他领域也展现出巨大潜力。”

为了使大豆蛋白适用于电池，申洋团队对其进行了化学修饰，提高了其本征导电性，促进锂离子更顺畅地迁移。最终获得的材料形成了由硬层与软层交替构成的三维网络结构，兼具高强度与柔韧性，使电解质既坚固又富有弹性。

使用这种大豆基电解质组装的固态锂电池，在 60°C 条件下稳定完成了长达 2000 小时的充放电循环。当温度升高至 120°C 时，电池在超过 800 次充放电循环后仍保持近 75% 的初始容量，显示出在高温环境下可靠运行的应用前景。相比之下，传统锂离子电池在超过 60°C 时通常会变得不稳定，性能严重下降，并可能引发安全风险，例如有毒且高度易燃物质的泄漏。

此外，这种大豆基材料还有望解决当前许多电解质研发中面临的一个关键难题：在电池充放电过程中，电解质与电极之间可能发生化学反应，形成界面层。如果这一界面层无法保持稳定，将在每次循环中持续增厚，逐渐削弱电池性能。

而采用大豆基材料制成的电池，则在电解质与电极之间形成了薄而均匀的界面层，且长期保持稳定。更重要的是，该界面层具有良好的柔韧性，能随电池充放电过程中的体积变化而伸缩，有效防止裂纹产生。

生命周期评估结果显示，相较于其他在固态电池中表现良好的有机电解质材料，大豆基材料的制备过程在酸化效应、致癌物释放以及化石燃料消耗等方面对环境的影响更低。同时，该大豆蛋白电解质在使用过程中释放的有毒或易挥发性化合物也显著减少。

申洋表示：“这些结果表明，基于大豆的材料在能源存储领域具有巨大潜力，为发展生物质来源的固态电解质提供了极具前景的技术路径。”

尽管该材料仍需进一步优化，并面对规模化生产的挑战，但未来某一天，大豆蛋白或将成为长寿命、环境友好型电池的重要基础材料。尤其在电动汽车和电子设备领域，申洋及其团队认为其应用前景广阔，特别是在需要电池在极端温度条件下稳定工作的场景中尤为适用。