8月26日，全固態(tài)電池因其更高的安全性和能量密度潛力，被視為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向。然而，固態(tài)電極內(nèi)部復(fù)雜的電荷傳輸過程，尤其是離子與電子傳輸?shù)牟黄胶?，?dǎo)致電極內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)嚴(yán)重不均，形成顯著的鋰濃度梯度。這如同在電池內(nèi)部出現(xiàn)了“交通擁堵”，極大降低了活性材料利用率，加速了電池性能衰減，成為制約其性能提升和實(shí)用化的重要瓶頸。精準(zhǔn)“看清”并有效調(diào)控這種內(nèi)部的不均勻性，一直是該領(lǐng)域的世界性難題。

近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院柳明團(tuán)隊(duì)聯(lián)合大灣區(qū)大學(xué)錢坤團(tuán)隊(duì)及中國(guó)原子能科學(xué)研究院肖才錦研究員，在這一難題上取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出并驗(yàn)證了一種基于“電荷轉(zhuǎn)移優(yōu)化”（CTOC）的梯度設(shè)計(jì)策略。該策略的核心在于采用獨(dú)特的雙層梯度結(jié)構(gòu)：在靠近隔膜的一側(cè)，使用高離子電導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)建高速的“離子傳輸快車道”，顯著降低了離子傳輸阻力；在靠近集流體的一側(cè)，則采用含導(dǎo)電劑的納米級(jí)固態(tài)電解質(zhì)層，確?！半娮觽鬏斂燔嚨馈睍惩o阻。這種設(shè)計(jì)巧妙地實(shí)現(xiàn)了離子和電子傳輸路徑在空間上的解耦與協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)保證了整個(gè)電極中活性物質(zhì)的含量不降低，最大程度維持了能量密度。

研究團(tuán)隊(duì)首次成功應(yīng)用對(duì)鋰元素敏感的中子深度剖面分析（NDP）技術(shù)，如同給電池內(nèi)部做了一次高精度的“CT掃描”，在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)并定量證實(shí)了傳統(tǒng)單層正極內(nèi)部存在的顯著縱向鋰濃度梯度。更為重要的是，該技術(shù)清晰顯示，采用新型CTOC設(shè)計(jì)的電極成功地實(shí)現(xiàn)了鋰濃度均勻分布，鋰離子在電極厚度方向上實(shí)現(xiàn)了快速的均勻流動(dòng)。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）的二維元素分布也同步驗(yàn)證了這一結(jié)果。

得益于內(nèi)部“交通擁堵”的根本性緩解，采用CTOC設(shè)計(jì)的全固態(tài)鋰電池展現(xiàn)出卓越的性能：在2C高倍率充放電條件下循環(huán)2000次后，電池容量保持率達(dá)82.7%，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提升近三成。同時(shí)，電池的電壓衰減和極化現(xiàn)象也得到顯著抑制，充分證明了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的根本性改善。這一成果為開發(fā)兼具高能量密度、超長(zhǎng)壽命和優(yōu)異倍率性能的實(shí)用化全固態(tài)鋰電池提供了全新的設(shè)計(jì)思路和堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1.傳統(tǒng)和梯度設(shè)計(jì)固態(tài)電極的對(duì)比

圖2.梯度設(shè)計(jì)固態(tài)電極的結(jié)構(gòu)

圖3.傳統(tǒng)和梯度設(shè)計(jì)固態(tài)電極的性能對(duì)比

圖4.傳統(tǒng)和梯度設(shè)計(jì)固態(tài)電極的XRD

圖5.傳統(tǒng)和梯度設(shè)計(jì)固態(tài)電極的鋰濃度分布差異

相關(guān)研究成果以“縱向空間電荷轉(zhuǎn)移優(yōu)化復(fù)合正極實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定全固態(tài)電池”（Longitudinal Spatial Charge Transfer Optimization in Composite Cathode Enables Ultra-Stable All-Solid-State Batteries）為題，于7月29日發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生梁俊威和大灣區(qū)大學(xué)助理教授錢坤為論文共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授柳明為論文通訊作者。論文共同作者包括深圳國(guó)際研究生院教授康飛宇、賀艷兵，副研究員司知蠢，2023級(jí)博士生李宇航，中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員肖才錦，南方科技大學(xué)教授韓松柏、副教授曾林。合作單位包括大灣區(qū)大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、南方科技大學(xué)等。

研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省杰出青年基金項(xiàng)目等的資助。大灣區(qū)大學(xué)為電極結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（PFIB-TOFSIMS）和中子測(cè)試表征技術(shù)提供了核心支持，中國(guó)原子能科學(xué)研究院和中國(guó)散裂中子源為中子深度剖面分析提供了重要支持。