电动车充电慢、冬季续航 “趴窝”、安全隐患大？被寄予厚望的下一代固态电池何时能商用？而同时实现 “快充” 与 “长寿命” ，是固态电池实用化面临的关键挑战。

近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、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。据悉，这是深圳国际研究生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。

团队指出，这种“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”破局固态电池寿命危机

“让老百姓用上更安全、更高效的电池”，是团队的研究初心。“久久为功”是其科研信念。康飞宇带领的能源材料团队一直关注电池安全的课题，近年主要针对本征安全电池开展研究。而作为深耕电池领域20余年的科研工作者，贺艳兵长期致力于固态电池领域研究。

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。

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（B/G比值≥1.75表明组分具有塑性，其中B为体模量，G为剪切模量），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。

基于目标组分筛选，团队设计了一种含AgNO3添加剂和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12 （LLZTO）填料的有机/无机复合固态电解质，该体系可在固态电池运行中通过原位置换反应将脆性Li2S/LiF组分转化为塑性Ag2S/AgF组分，构建出具有“外柔内刚”梯度结构的SEI，该结构中外层塑性Ag2S/AgF组分能够耗散界面应力，中间富含传统SEI组分层有效维持传统高模量，内层亲锂组分诱导锂金属均匀沉积。

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。

同时，Ag颗粒修饰LLZTO的离子电子混合导体陶瓷填料（Ag/LLZTO）还显著提升了复合固态电解质的体介电性能，构筑了高效的锂离子传输通道，实现了锂离子的快速、均匀沉积反应。

实验结果表明，该“塑性SEI”使固态电池展现出优异的电化学性能，在室温以及15 mA cm–2的电流密度和15 mA h cm–2面积容量下，锂金属对称电池能够稳定循环超过4500小时；在-30℃的环境中，对称电池仍能在5 mA cm–2的电流密度和5 mA h cm–2面积容量下稳定循环7000小时以上；匹配 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极的固态全电池也具有优异的大倍率（20 C）和低温（-30℃）电化学性能。

破冰！“以柔克刚”攻克数十年安全难题

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。

创新突破的背后，正是自科学家们对“让电池既高效又更加安全”的执着追求，在一次次实验室的“破冰”前行中，固态电池的未来蓝图正加速照进现实生活。

相关研究成果以《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）期刊上。

本文通讯作者为康飞宇、贺艳兵、吕伟、侯廷政和杨全红。清华大学深圳国际研究生院2022级博士米金硕、2023级硕士生杨俊、2021级博士陈立坤和2022级博士生崔雯渟为论文共同第一作者。其他作者还包括清华大学深圳国际研究生院干林副教授、柳明副教授，东方理工大学韩兵助理教授，深圳大学黄妍斐副教授等。研究得到国家自然科学基金项目、“工程科学与综合交叉”国家重点研发计划项目、深圳市科技计划项目、鹏瑞启航计划等多个项目的支持。

南方+记者 孙颖   

通讯员 米金硕  贺艳兵  叶思佳

图片来源于科研团队