王煜东 王忆希 科技日报记者 谢开飞
从智能手机、笔记本电脑到新能源汽车，这些日常应用的背后，都离不开锂电池的支撑。然而，充电慢、续航短、存在安全隐患等痛点，仍然是锂电池发展所面临的主要挑战。固态电池凭借高安全、高能量密度的优势，被广泛视为下一代动力电池的关键技术方向。其中，聚合物基固态电池因具备低成本、柔韧性好、界面接触优良、易于加工放大等优势，有望率先实现大规模商品化。
近日，福州大学张久俊院士、郑云教授团队在固态电池核心部件——聚合物电解质领域取得突破。该团队巧妙利用“内建电场”“力学平衡”等基础物理原理，为解决锂离子传输难题提供了全新思路，有望实现电池充电更快、续航更久、安全性更高。相关成果发表于国际知名期刊《先进材料》和《美国化学会志》上。这项被业内评价为“国际领先水平”的突破，不仅让固态锂电池的快充性能与使用寿命实现了质的飞跃，更为下一代高安全、高性能电池的发展开辟了新范式。
固态锂电池里的“离子堵车”困局
如果把锂离子电池比作一座城市的交通系统，那么锂离子就是穿梭在道路上的汽车，电解质则是连接各个区域的道路网络。电池的充放电过程，本质上就是锂离子在正负极之间来回“奔跑”的过程。
随着人们对电池各项性能要求的不断提高，传统液态锂电池的局限性日益凸显。其中，安全风险和能量密度短板，已成为其难以满足下一代应用需求的核心矛盾。而在聚合物基固态电池领域，如何进一步提升室温离子电导率与倍率性能，仍是其商业化道路上必须攻克的关键难题。
锂离子在传统聚合物电解质中的传输速度并不算快。
对此，郑云教授用一个生动的比喻解释道：“传统聚合物电解质就像坑坑洼洼、障碍遍布的‘公路’，锂离子在上面行进时不得不频繁减速、走走停停，很难跑得快。这会导致电池充电缓慢，使用寿命也大打折扣。”
从微观尺度上来看，锂离子之所以“行路难”，是因为聚合物链上的氧原子会像无数只“小手”一样，将锂离子牢牢“抓住”。这种强烈的束缚作用，使得锂离子每移动一步都需要克服巨大的能量障碍。就像汽车在泥泞的土路上行驶，不仅速度慢，还容易陷进去。
为了解决这个问题，科学家们尝试通过调整聚合物结构、添加增塑剂或无机填料等多种策略，试图减弱聚合物对锂离子的束缚力。这些方法虽然在一定程度上提高了离子电导率，但都存在着各自的局限性。“这些方法只能起到‘局部优化’的作用。”郑云教授指出：“就像在一条崎岖不平的老路上，间或提高车辆行驶速度或修补部分路坑，虽然能起到一定作用，但并没有改变这条路起起伏伏、坑坑洼洼的根本问题。”
为锂离子建一条“智能高速路”
“我们不应该只是去修补旧路，而要从根本上改变‘路’的形态，建设一条新的‘高速路’。”早在两年前的一次课题讨论会上，郑云教授便提出了这一构想。研究团队跳出为传统材料改性的思维定式，从跨学科领域寻找灵感，将目光投向了物理学中的“内建电场”概念。
从最初的分子设计、材料合成，到反复优化锌离子的掺杂比例和分布方式，团队成员经历了上百次实验失败。为精准表征内建电场的形成机制和作用效果，研究团队联合多个国家级测试平台，利用差分电荷密度分析、原位电化学表征等技术，从原子尺度揭示了离子传输的微观动力学过程，最终成功构建出这套新的聚合物电解质体系。
“内建电场”是如何在微观尺度上发挥作用的呢？郑云教授解释道：“我们在聚合物链上的氧原子附近，有序地引入带正电的锌离子作为‘帮手’。锌离子对电子的吸引力更强，会像‘吸铁石’一样，把氧原子周围的电子云拉向自己，从而形成了一段方向明确的‘内建电场’。这降低了氧原子对锂离子的‘束缚力’，相当于给锂离子铺设了一条阻力更小的‘高速路’。”
研究团队通过试验发现，聚合物上的锌离子（正极侧）和醚氧（负极侧），会自然形成一个稳定的定向内建电场，犹如在电解质内部布下了一张“隐形电网”。该电场能诱导电荷重新分布，均匀降低醚氧周围的电子云密度，从根本上弱化锂离子与聚合物之间的强配位作用，使锂离子的迁移能垒从0.29eV骤降至0.13eV，降幅超过55%。差分电荷密度分析进一步证实，电子从醚氧向锌离子转移，验证了内建电场的形成。
“这样一来，锂离子便能够轻松挣脱束缚。更重要的是，连续的‘内建电场’会像‘智能导航’一样，引导锂离子沿着指定方向快速移动，避免它们在原地打转。简单来说，就是把锂离子原本‘负重慢行’的状态，变成了‘轻装快跑’。”郑云教授补充道。
让充电更快更安全
这项技术最直观的提升，体现在电池的快充性能和使用寿命上。研究团队组装了常见的磷酸铁锂电池进行测试。在2C倍率下（即约半小时就能充满电的速度），电池反复充放电5000次之后，容量依然能保持为原来的84%。
“可以这样换算：假如一辆电动车每两天充一次电，5000次循环相当于稳定使用超过27年，而续航能力只衰减不到两成，用户无需为电池不耐用而烦恼。”该团队博士生段松介绍。此外，研究团队还组装了专门用于测试耐用性的对称电池。结果显示，该电池能稳定循环超过6000个小时，相比传统聚合物基电池，寿命直接提升了好几倍。这对于航空航天、储能电站等对电池可靠性要求极高的应用场景，具有特别重要的意义。
在安全性方面，这项技术也带来了质的飞跃。锂枝晶，是锂金属电池在充电过程中，因锂离子在负极表面不均匀沉积形成的树枝状金属锂。其生长常常会刺穿电池隔膜，导致内部短路，进而引发热失控、起火甚至爆炸，一直是困扰上述锂电池的一大安全隐患。而“内建电场”设计有利于促进锂离子的均匀、有序沉积，从而有效抑制锂枝晶的生长。
值得注意的是，这项研究提供的不是一个特定的材料配方，而是一种普适的设计理念。以往的研究多通过改变材料的化学组成来优化性能，而这项工作开创了利用“物理场”调控离子传输的新范式。这意味着，“内建电场”的设计策略不仅适用于聚醚类聚合物电解质，还可拓展至其他类型的离子传导体系，为电化学能源器件的开发提供了一个新的技术平台。
“团队将继续推动基础研究，同时加快推进中试线建设和产业化落地。”在福州大学新能源材料与工程研究院的实验室内，中国工程院外籍院士张久俊俯身查看电脑屏幕上跳动的数字，他坚定地说，“我们要让更多原创技术走向世界，为全球能源转型贡献‘中国智慧’。”
当前，新能源汽车、大规模储能、柔性电子等领域对高安全、高能量密度电池的需求日益迫切。福州大学张久俊院士、郑云教授团队的这项原创技术，成功打通了聚合物电解质“高电导率—高稳定性—高安全性”的协同提升路径，为固态电池的商业化落地提供了核心支撑。随着产业链协同推进，该技术有望为我国新能源产业高质量发展注入强劲动力，助力“双碳”目标的实现，让“充电五分钟，续航千里”的新能源汽车、轻薄安全的柔性电子设备，加速走进大众生活。
（受访者供图）
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