2萬次彎折只是開始，固態電池商用突破“介面魔咒”

01. 固態電池被「介面」卡住了脖子

高性能、長壽命、柔性、固態電池……這幾個詞結合在一起突破性顯而易見，但真正值得關注的技術亮點其實藏在這些名詞的背後。

近日，中科院（下簡稱「中科院」）金屬研究所科研團隊成功開發出一體式柔性固態電池，展現出卓越的機械穩定性，可耐受2萬次彎折。

中國科學院金屬研究所研發的最新固態電池

能彎折2萬次當然是個亮點，但更重要的是，科學研究團隊提出了一個創新方案，專門針對固態電池的介面調控機制，這才組成了這款特別耐用的新電池。

固態電池的介面調控問題，幾乎是阻礙固態電池大規模商用的核心技術難題。

固態電池簡言之就是指將傳統動力電池中的液態電解液換成固態。相較於液態鋰電池，固態電池存在諸多優點，例如固態電池熱穩定較好，漏液、碰撞起火等隱患大幅減少；能量密度更高，目前液態電池的能量密度基本達到理論最高值的250—300Wh/kg，而固態電解質的能量密度可達500Wh/kg；此外，固態電池效能在電池效能方面均優於電池效能。

固態電池示意圖

依照固態電池的設計，固態電解質負責導離子，電極負責儲離子，二者之間無可避免有一個介面接觸差，這成為固態電池的性能瓶頸。

02. 當堅硬“公路”撞上“倉庫門”

整個固態電池可以想像成一個“快遞系統”，鋰離子等帶電粒子就是要運送的“貨物”，固態電解質就是運送貨物的“公路”，正極、負極就是負責接收、存放和發出貨物的“倉庫”。

液態電池的“公路”是“水路”，阻力小，自然能更順利、快速地將貨物從一頭運到另一頭，還能直接貼合“倉庫”，把貨物運送到位。如果把液態電解質換成像陶瓷碎片一樣的固態電解質，當然好處巨大，雖然「運貨」慢一些，但這條路能「跑」得更久，還更安全。

可問題是，當我們把一條堅硬的、不會變形的“公路”，直接懟到一個巨大的、同樣堅硬的“倉庫”門口，會發生什麼？

首先幾乎不可能完美貼合。電極的接觸面再光滑，在顯微鏡下也是坑坑洞洞的。同樣堅硬的電解質又沒辦法像液體一樣填充每個縫隙，實現百分之百的緊密接觸，它們之間始終會有無數肉眼難察的縫隙。

其次就是「貨物」運輸沒那麼流暢了。離子需要剝離固態電解質，進入電極；但現在兩者之間有縫隙，離子很難一下子「跳」過去，導致「入庫」的效率極低。

還有就是固態電解質和電極之間還會產生一些微妙的化學反應，仍會在交匯處形成一層令人討厭的“雜草牆”，即鋰枝晶，直接把“倉庫門”堵上，離子更過不去了。

以上這些難題總結下來就是「二者的介面接觸差」：固態電解質沒辦法與電極緊密接合，導致離子交換緩慢，因此成為了固態電池的性能瓶頸。

固態電池的固-固接觸面總會有縫隙

如果我們用了真正的固態電池，明顯的感受就是充電慢、放電能力弱、電池壽命變短…中科院金屬研究所科研團隊要解決的就是固-固介面阻抗高、離子傳輸效率低這一難題。

03. 分子鏈上「長出」的智慧材料

目前有些企業在固態電池產品上採用的解決方法大多是「修補介面」：把正極接觸面加入些液態成分，讓兩者變得沒那麼疏離。還有一種「半固態」電池，電解質其實是膠狀物，矇混過關。

在鋰離子電池中，正極通常由正極活性材料（CAM）、聚合物黏合劑和導電加入劑組成，固態電池主要要解決的就是正極和電解質之間的問題。

「修補介面」的方法其實是將正極活性材料和一部分固態電解質提前混合製備，形成一種復合正極，之後再去跟固態電解質進行混合。

這個復合正極相當於一座“橋樑”，降低了固態電解質與電池正極表面的異質接觸；但同時也因為它只提供鋰離子的傳導功能，無法儲存鋰離子，卻又佔了電池正極的一部分空間，所以又間接拉低了固態電池正極的儲存能力。

中科院的這項突破，可以說不是在建造“橋”，而是在“種”一棵神奇的樹，它的根系（電解質）和枝葉（電極）天生就長在一起，完美解決了固態電池的介面難題。

簡單來說，研究團隊重新設計了復合正極本身的結構，成功開發出集「離子傳導」與「離子儲存」功能於一體的新型聚合物材料P(EO₂-S₃)。

團隊先是利用聚合物分子的可設計性，像拼樂高一樣，創造了一種全新的分子鏈；接著在這個鏈上，他們同時「安裝」了兩種功能模組，分別是具備離子傳導功能的「乙氧基團」和具有氧化還原活性的「短硫鏈」。

將這兩種功能整合在同一聚合物分子中，相當於讓「道路」和「倉庫」天生就長在了一起，在分子尺度上實現了無縫銜接，從根本上消除了介面縫隙。

這種材料的神奇之處還在於它在不同工作階段的智慧切換。實驗資料表明，P(EO₂-S₃)的電子結構可隨電壓變化發生可逆轉變，這意味著，在電池充電時，當電壓達到某個值，它更傾向於開啟「離子高速通道」模式，讓鋰離子快速通過；而在放電時，電壓變化，它又切換為「離子倉庫」模式，高效地釋放儲存的離子。

新一代高性能、柔性、長壽命固態鋰電池很有可能會在這條技術路徑的引導下，大放異彩！ （壹零社）