无压循环超千次：中国新技术推动全固态钠电池产业化进程
无压循环超千次：中国新技术推动全固态钠电池产业化进程
2024年12月11日，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在《自然·通讯》上发布了重要研究成果。研究团队成功开发出一种“电诱导加速聚合界面修复”技术，使安时级别的全固态钠离子软包电池在无外加压力的条件下，实现了超过1000次的稳定循环。这一突破性进展为低成本、高安全性的全固态钠电池走向规模化应用扫清了关键障碍。
固态电池的“界面困境”
全固态电池因其高安全性和高能量密度，被认为是下一代储能技术的核心路径。钠基材料因资源丰富、成本低廉的优势，成为实现性能与经济性平衡的理想选择。然而，长期存在的界面问题却成为阻碍技术落地的关键。
大连化物所杨庭舟教授用干燥玻璃间的缝隙作比，形象地揭示了固态电池产业化的核心挑战。固态电解质作为电池中离子传输的“心脏瓣膜”，其中氧化物电解质因其高离子电导率和化学稳定性被广泛采用。但陶瓷材料的脆性使得其在制备和应用过程中面临诸多难题。
实验室主任陈忠伟展示了一张电镜图像，图中可见氧化物电解质内部布满微米级裂纹和孔隙。这些缺陷虽肉眼不可见，却会直接影响界面接触质量。钠离子在这样的界面上传输，就如同车辆行驶在布满坑洼的道路上，不仅效率低下，还容易导致金属钠枝晶的生长，最终引发短路并导致电池失效。
这一问题进一步形成了恶性循环：裂纹导致界面阻抗上升并诱发枝晶生长，枝晶又加剧裂纹扩展，最终演变为“接触不良—界面失效—性能衰减”的连锁反应。
传统解决方案如机械压实或高温处理均存在明显缺陷。前者类似“用夹子夹玻璃”，一有震动便失效；后者则可能破坏电极结构，得不偿失。特别是在钠电池中，由于钠金属化学活性高，界面反应更为剧烈，其临界电流密度通常低于2 mA/cm²，远不能满足实际应用需求。陈忠伟团队自2022年起便将界面调控确立为研究的核心。
创新突破：电诱导下的“自修复”界面技术
面对传统方法的局限，研究团队提出全新思路：是否可以让界面“自我修复”？陈忠伟的这一设想为研究打开了新的方向。
团队开发了一种新型“修复胶”，由可聚合单体和导电粒子组成。其优势在于兼具填充裂纹与原位形成稳定保护层的双重功能，实现界面与电极、电解质之间牢固结合，如同“微创手术”般精准修复。
实现这一构想的最大挑战在于控制聚合过程的精确性。初期实验中，“修复胶”往往反应迟滞或过快结块，产品合格率不足30%。
研究的关键突破在于建立了电润湿铺展、微滴迁移与链式聚合的耦合机制模型，首次明确了电场强度、单体极性与聚合速率之间的定量关系。同时，团队自主研发了原位表征装置，结合光学显微镜与电化学测试系统，首次“可视化”地观察到修复材料在30秒内迅速渗透至500纳米级微裂纹并完成固化。
这一系列创新带来了显著的性能提升：
- 临界电流密度达到6.8 mA/cm²，是传统电池的3倍以上。
- 在1.0C倍率下，电池循环1000次后，容量保持率仍超过90%。
- 更重要的是，团队成功制造出Ah级全固态软包电池，证明该技术已超越小尺寸样品的理论验证阶段。
产业化前景：从实验室走向大规模应用
在实验室中试车间，一枚无外部夹具的Ah级软包电池正平稳运行，其已连续循环超过800次。“无外部加压是产业化的‘试金石’。”陈忠伟解释道，传统固态电池需施加10至20 MPa压力以维持界面接触，这不仅增加电池包重量，还抬高制造成本，限制其在新能源汽车和储能领域的应用。
这项技术彻底打破了这一限制。它不仅解决了界面问题，还兼容卷绕、叠片等传统锂电池工艺，无需复杂加压设备，大幅降低量产门槛。
对产业链下游而言，这一突破具有深远影响：
- 大规模储能领域：全固态钠电池的度电成本有望降低30%以上。陈忠伟测算，钠资源储量是锂的千倍，加之无压封装简化系统设计，长期度电成本可降至0.3元以下。
- 新能源汽车领域：全固态电池完全摒弃了易燃电解液，具备极高的安全性；其在-40°C至60°C范围内的宽温域工作特性，可有效解决北方地区冬季续航下降问题。
尽管成果显著，团队仍清醒地认识到量产过程中仍需突破诸多技术瓶颈。“目前超薄电解质膜的批次一致性还有待提升，修复胶的规模化合成工艺也在持续优化中。”陈忠伟表示，下一步将聚焦公斤级电解质制备、连续化设备改造及构建完整的中试体系。
随着该界面修复技术的逐步成熟，全固态电池正加速从实验室迈向产业化，为我国在全球新一轮储能技术竞争中赢得主动，奠定了坚实的技术基础。
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