新突破！氟氧协同配位技术，让准固态电池轻松应对宽温域

AI科技 2025年10月31日 12:13 0 admin

在先进储能领域，能在宽温域稳定运行的聚合物基固态电池是关键方向——无论是极寒地区的储能设备，还是高温工况下的动力电池，都迫切需要解决“低温跑不动、高温不安全”的行业痛点。近日，华中科技大学郭新、李卓、杨辉、李志勇团队在这一领域取得重大突破，其研究成果以“Fluorine-oxygen co-coordination of lithium in fluorinated polymers for broad temperature quasi-solid-state batteries”为题，发表于国际顶刊《Nature Communications》（2025年，16卷，Article number:9265）。

研究背景：传统电解质的“三大困境”

当前主流的碳酸酯类液态电解质，始终难以满足高性能锂电池的严苛需求：

电压窗口窄：通常局限在4.3V以下，无法适配高能量密度的正极材料；

温域适应性差：仅能在-20℃至50℃区间工作，低温下离子传输停滞、高温下易分解；

安全风险高：高度易燃，在锂金属电池中易引发枝晶短路等问题。

而传统聚合物电解质（如聚环氧乙烷PEO基）虽能兼顾安全性与柔韧性，却受限于“离子传输慢”——低温下聚合物分子运动减缓，离子传导几乎停滞；高温下又易与电极发生副反应，导致电池寿命骤降。宽温域稳定运行，成为制约固态电池产业化的核心“卡脖子”难题。

核心突破：氟氧协同配位，解锁离子传输“新路径”

针对这一困境，团队跳出“单纯添加增塑剂”的传统思路，从“调控锂离子局部配位环境”入手，设计出一种氟化准固态聚合物电解质，其核心创新点在于“氟氧协同配位结构”：

该电解质通过2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯原位聚合制备，其中的CF₂基团具有强吸电子特性，能与氧原子共同形成对锂离子（Li⁺）的协同配位。这种独特结构实现了两大关键作用：

解耦离子传导与聚合物弛豫：传统聚合物电解质中，离子传输依赖聚合物分子运动（弛豫），低温下分子“变慢”会直接导致离子“跑不动”；而氟氧协同配位让Li⁺能沿聚合物链及周围溶剂分子形成独立传输路径，不再受聚合物弛豫速度的限制；

平衡离子解离与传输效率：既保证了锂盐的高效解离（提供充足Li⁺），又削弱了Li⁺与聚合物间的强相互作用，让Li⁺能快速“脱附”并迁移，同时还能在锂金属负极界面形成均匀的Li⁺通量。

图 2 | Li||NCM811电池的宽温性能。a 使用不同电解质的Li||NCM811纽扣电池在20 mA g⁻¹下的宽温操作性能（–40 °C至70 °C）。b 使用不同电解质的Li||NCM811纽扣电池在–20 °C和60 mA g⁻¹下的循环性能。c 使用不同电解质的Li||NCM811纽扣电池的倍率性能。d 与0.2 C倍率下容量相比的容量保持率。e 在实际条件下，使用不同电解质的Li||NCM811纽扣电池在60 mA g⁻¹下的循环性能。

亮眼性能：宽温高稳，数据印证硬实力

这种氟化准固态聚合物电解质的性能表现，刷新了行业对聚合物基电池的认知：

宽工作温域：支持Li||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂（NCM811）电池在-50℃至70℃区间稳定工作，覆盖从极寒到高温的绝大多数应用场景；

低温高电导率：在-40℃下仍能实现0.27mScm⁻¹的高离子电导率，远超传统聚合物电解质（通常<0.1mScm⁻¹）；

高倍率与长循环：10C高倍率下（1C=200mAg⁻¹）仍能稳定放电；在30℃、60mAg⁻¹条件下循环200次后，容量保持率高达86%；

高压适配性：4.5V高电压纽扣电池在-30℃、20mAg⁻¹条件下，容量仍能达到30℃时的64.3%，解决了高压电池低温性能衰减难题。

图 3 | 采用氟化聚合物电解质的准固态软包电池性能。a Li||NCM811软包电池示意图。b Li||NCM811软包电池在20 mA g⁻¹下的充放电电压曲线。c Li||NCM811软包电池针刺测试的光学照片。d 使用氟化准固态聚合物电解质的Li||NCM811软包电池在–51.3 °C下为电风扇供电。e 聚合物基准固态电池宽温性能比较。

更值得关注的是，团队将该“配位调控策略”扩展至钠基体系，同样实现了离子传输增强效果——这意味着该技术不仅适用于锂电池，还能为下一代钠电池（低成本储能优选方向）提供解决方案，展现出极强的普适性。

行业意义：为固态电池产业化注入“强心剂”

郭新教授团队的这项研究，不仅提出了“氟氧协同配位”这一全新电解质设计原则，更从分子层面揭示了“如何平衡离子解离与传输”的核心逻辑——为宽温域固态电池的研发提供了清晰的技术路径。

对于储能与动力电池行业而言，该技术的突破意味着：

极寒地区的电动汽车、户外储能设备，将不再受“低温趴窝”困扰；

高温环境下的动力电池（如夏季暴晒的车辆），安全性与寿命将大幅提升；

高电压、高能量密度的固态电池，向产业化落地又迈进了关键一步。

郭新教授是固态离子能源科技（武汉）有限公司创始人兼首席科学家。团队的这项成果，再次印证了固态电池在宽温域、高安全场景的巨大潜力，也为固态离子能源科技（武汉）有限公司的技术研发提供了重要参考。未来，我们将持续聚焦固态电解质、电极界面调控等核心领域，推动更多前沿技术走向实际应用，为下一代储能系统的安全化、高效化贡献力量。