随着电动汽车、电动飞行器、人形机器人等前沿技术的快速发展，对动力电池的能量密度和安全性提出了更高要求。固态电池因其潜在的高能量密度和本质安全性，被普遍认为是下一代储能技术的重要方向。然而，固态电池在实际应用中长期面临两大难题：一是电池内部固体材料之间接触不良;二是缺乏能同时耐受高电压正极和强还原性负极的电解质材料。为改善固-固界面接触，传统方法通常需要施加极高的外部压力或采用复杂的多层电解质结构，但这会带来系统复杂度高、成本增加以及长期稳定性不足等问题。如何在不依赖高压和复杂结构的前提下实现稳定的固-固界面，成为固态电池走向实用的关键挑战。
针对这一难题，清华大学化学工程系张强、赵辰孜团队创新性地提出“富阴离子溶剂化结构”设计策略，开发出一种新型含氟聚醚电解质(图1)。该电解质通过热引发原位聚合技术，在电池内部与电极紧密贴合，显著提升了离子传导效率。通过引入含氟基团，团队成功将电解质的电化学稳定窗口提升至5.0 V，使其能够匹配4.7 V高电压富锂锰基正极材料，同时兼容金属锂负极，实现了单一电解质对高电压正负极的全面兼容。研究团队利用锂键化学原理，构建了独特的“–F∙∙∙Li+∙∙∙O–”配位结构，诱导形成富含阴离子的溶剂化结构，从而在电极表面形成稳定的富氟界面层。该界面层不仅能有效抑制电极材料的结构退化，还大幅提升了电池的循环稳定性与安全性。
【创新结果】
1. 电解质分子设计与基础物化性质
研究团队设计并合成了含氟聚醚共聚物PTF-PE(图2a)。DSC分析表明，氟化烷烃链段的引入有效抑制了聚醚链的结晶行为，使其呈现无定形态(图2b)，赋予准固态聚合物电解质较低的玻璃化转变温度(−75 °C)和优异的链段运动能力，有利于离子传输。PTF-PE/LiTFSI体系展现出良好的热稳定性(5%热失重温度 > 328 °C)与阻燃性能(图2c)。关键突破在于其电化学稳定窗口显著拓宽至5.0 V(vs. Li+/Li)(图2d)，远超传统聚醚电解质(约3.6 V)。DFT计算表明，氟原子的强吸电子效应降低了聚醚链段氧原子的电子密度，HOMO能级明显降低(PTF-PE∙∙∙Li+: −7.96 eV;PE∙∙∙ Li+: −7.50 eV)(图2e)，从而提升了耐高压性能。
2. 基于锂键的“–F∙∙∙L
声明：
“清华张强团队《Nature》发文：新型聚合物电解质突破锂电池能量密度瓶颈” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：清华大学
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2025年10月15日 ~ 17日 
