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中科院青岛能源所新突破:新型负极助力全固态电池72秒快速充放电

时间:2026-08-01 09:32:46来源:快讯编辑:快讯

在动力电池领域,硫化物全固态电池一直被视为下一代技术的核心方向,其高能量密度与本质安全性的优势备受瞩目。然而,当面临快充场景时,这类电池却暴露出明显短板——负极侧电子传输迟缓、锂离子扩散受阻、固-固界面退化以及枝晶生长等问题相互交织,导致高倍率充放电下的循环寿命始终难以突破。

此前,在硫化物全固态电池体系中,能够实现50C倍率下超快充放电且数据亮眼的研究成果寥寥无几。不过,中科院青岛生物能源与过程研究所的一项创新研究,为这一难题带来了新的解决方案。

该研究团队提出了电子-离子协同导电网络(EICN)设计策略,并成功开发出Li-Al-Si-Zn(ASZ@Li)四元合金负极。当这种负极与Ni90正极搭配组成全固态电池后,展现出惊人的性能:在50C倍率下,仅需72秒就能完成一次完整充放电,可逆容量达到105.6mAh g⁻¹;经过20C倍率循环2050次、50C倍率循环1460次后,容量保持率仍稳定在80%。这一成果已发表在《ACS可持续化学与工程》上。

长期以来,行业在探讨固态电池瓶颈时,往往将焦点集中在电解质上,关注其电导率是否足够、界面是否稳定。但在高倍率场景下,负极才是问题的关键所在。硫化物电解质本身的锂离子电导率已接近液态电解液水平,真正限制电池性能的是负极侧电子传导速度跟不上锂离子注入速度。电子传输缓慢会导致锂离子在界面处堆积,局部电流密度不均,进而引发枝晶生长。一旦枝晶刺入电解质,短路便不可避免。

高倍率充放电还会加速固-固界面的退化。每次充放电过程中,界面应力变化会不断推开电极与电解质的接触面,导致阻抗上升,形成负反馈,使电池性能衰减不再呈线性变化。

青岛能源所团队的创新思路是将负极从单一功能层转变为多维协同网络,使其不仅能储锂,还能同时解决电子传导、离子传输和结构稳定性问题,这便是EICN策略的核心出发点。

ASZ@Li合金的组分搭配并非随意为之,LiAl、LiZn和富硅区域三个相各司其职。LiAl相负责构建连续的电子导电骨架,铝的引入显著提升了材料的电子电导率,让电子能在负极体内快速传导至各个储锂位点,避免在界面处“排队”。LiZn相则专注于锂离子传输,锌增强了材料表面的亲锂性,降低了锂离子在合金体相内的迁移势垒,使扩散路径更加均匀、快速,这对抑制枝晶生长至关重要,因为枝晶的本质是锂的不均匀沉积,均匀化离子流可从根源上解决问题。富硅区域则承担储锂和缓冲体积变化的任务,高倍率充放电带来的体积膨胀收缩是界面退化的主要原因,硅的引入为体积变化提供了缓冲空间,维持了电极与硫化物电解质之间接触的稳定性。

值得一提的是,ASZ@Li合金对硫化物电解质本身具有良好的化学/电化学稳定性,无需额外构建人工SEI防护层,从而简化了界面结构,减少了潜在失效点。

从数据层面深入分析,50C倍率、72秒循环、105.6mAh g⁻¹这三个数字意义重大。单独看50C充放电,在全固态电池领域已是少见的高倍率数据,而在此倍率下仍能保持过百克容量,说明该电池不仅“能跑”,而且“跑得有用”,没有像常见的高倍率方案那样以牺牲容量换取速度。

循环数据更具说服力。20C下循环2050次、50C下循环1460次后容量保持率均稳定在80%,这表明该电池具有较高的工程化潜力。实验室数据与产品之间的最大差距往往在于衰减曲线,而该电池的衰减曲线足够平缓,为后续的工程化开发奠定了良好基础。

测试温度为55℃,这一温度高于常温,更接近电池在快充场景下可能经历的实际工况区间。该电池在此温度下能够稳定运行,也证明了合金负极与硫化物电解质之间具有良好的热稳定性。

从机理上看,EICN策略通过降低界面阻抗、抑制电解质分解,打破了高倍率下危险的循环——电流密度越大,界面副反应越快,副反应产物又会进一步推高阻抗。打破这一“恶性循环”,正是EICN策略的核心价值所在。

这项研究的意义不仅在于一组亮眼的性能数据,更重要的是它提供了一种可推广的设计范式——对合金负极进行多相功能分区,利用材料组分差异实现电子、离子、结构的协同,而非依赖外部界面工程进行修补。

当然,从实验室到产线,硫化物全固态电池仍需面对规模化制备、空气稳定性、成本控制等诸多老问题。EICN策略解决的是基础科学瓶颈,工程化落地仍有一段路要走。但在全固态电池的激烈竞争中,谁能率先解决高倍率循环寿命问题,谁就能在从“能用”到“好用”的转变中占据关键优势。这项研究至少证明,硫化物体系在超快充赛道上仍有巨大的发展潜力。

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