破解固态电池“快充”难题！清华SIGS发布年度第四篇《Nature》

电动车充电太慢、冬天趴窝、安全隐患大？传说中的下一代固态电池何时才能商用？如何同时实现“快充”和“长寿命”是固态电池实用化面临的关键挑战。10月30日，记者从清华大学深圳国际研究生院获悉，该院康飞宇教授、贺艳兵教授、吕伟副教授、侯廷政助理教授团队联合天津大学杨全红教授团队，在该领域实现重要突破，给固态电池锂金属负极穿上“塑性铠甲”，为长期困扰行业的固态电池界面失效问题，提供了全新解决策略。北京时间10月30日零时，研究成果以“用于固态电池的塑性固态电解质界面”为题，在线发表于《自然》（Nature）期刊。这是该院今年发表的第四篇《自然》文章成果。

固态电池的“铠甲”，为何如此脆弱？

“传统液态电池像装着易燃液体的容器，一旦破损，就可能起火甚至爆炸。而固态电池用固体电解质替代液态电解液，能够有效解决易燃问题。”贺艳兵表示，固态电池就好比把里面的液态材料变成了坚硬的固体——不流动、不泄漏，从材料本源上杜绝燃爆风险，让电池变得更安全——这也是固态电池被视作下一代动力电池终极方向的核心逻辑。虽然当前固态电池仍面临成本、快充技术工艺等挑战，但其在能量密度和安全性上的巨大优势，使其被视为下一代动力电池的终极方向。

固态锂金属电池，因其高能量密度和高安全性被誉为下一代动力电池的发展方向，在电动汽车和大规模储能等方面具有广阔的应用前景。然而，固态电池的商业化长期受困于固态电解质的低离子电导率和固态电解质/电极差的固-固界面稳定性等难题。虽然大量的研究已将固态电解质的离子电导率大幅度提升，但固态电池在大电流密度和低温充放电等严苛工况下，容易发生界面失效等问题。

大量研究表明，锂金属负极表面传统富无机组分固态电解质界面（SEI）——即电池的“保护膜”或“界面层”，虽然坚硬，但脆弱。一旦破裂，不仅会拖慢充电速度，更会导致短路等问题，使得电池在快充和低温环境下寿命急剧缩短。

团队表示，其“本征脆性”使其在循环过程中容易发生“脆性断裂”，导致界面缓慢的锂离子传输动力学，严重的锂枝晶生长与界面副反应，使得固态电池难以实现低温和大电流密度下的长寿命稳定循环，这一难题至今仍未得到有效解决。

“塑性铠甲”让固态电池寿命危机迎来“破局点”

“让老百姓用上更安全、更高效的电池”，是团队的研究初心。

针对上述挑战，团队创新性地提出了“塑性富无机SEI”的设计理念，开发出兼具优异机械性能、锂离子传输性能和梯度亲锂/疏锂特性的新型塑性SEI，大幅度提升了固态电池在大电流密度下和低温下的循环稳定性。

研究团队从SEI结构和模型进行源头创新，摒弃传统SEI“唯强度论”的结构模型和设计理念，将“塑性”特征作为新型SEI组分筛选的核心指标，以Pugh准则为塑性判据，通过对一系列潜在无机物进行了人工智能加速的理论筛选，发现硫化银、氟化银等材料不仅具备良好的塑性变形能力，还能显著降低锂离子的扩散能垒。

团队构建出了具有“外柔内刚”梯度结构的SEI。这种SEI多层级结构协同的设计理念，犹如为锂金属负极量身定制了一套“塑性铠甲”，既保证了在低温和大电流密度条件运行过程中界面层的结构完整性，又实现了高效的离子传输并抑制了副反应。结果表明，该“塑性SEI”使固态电池展现出优异的电化学性能。

深圳良好的创新氛围、科研环境和“产学研用”的良好生态，为该研究的顺利开展提供了很好的土壤。该工作突破了传统SEI聚焦追求“坚硬”的设计理念，开创性地将“塑性”作为特征指标，提出了一条从固态电解质组分设计到理想界面的精准构建路径，为解决固态电池的界面失效问题提供了全新策略，并为新型界面层设计提供了重要的理论依据，对实用化固态电池的研发具有重要实用价值。

这项研究为固态电池“快充”与“寿命”难以得兼的问题找到了新的突破口，让固态电池的商用之路又向前迈进了一大步。