锂离子“轻装快跑”，电池充电高效又安全

智能手机、笔记本电脑、新能源汽车，都离不开锂电池的支撑。然而，充电慢、续航短、存在安全隐患等问题，仍然是锂电池面临的主要挑战。固态电池凭借高安全、高能量密度的优势，被视为下一代动力电池的核心技术方向。其中，聚合物基固态电池因成本低、柔韧性好、与电极界面接触优良、易于加工放大，有望率先实现大规模商品化。

中国工程院外籍院士、福州大学教授张久俊，福州大学教授郑云团队在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，有望让电池充电更快、续航更久、安全性更高。相关成果日前发表于国际期刊《先进材料》和《美国化学会志》。

“行路难”在于“路不好”

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问题。而在聚合物基固态电池领域，如何进一步提升室温下的离子电导率与倍率性能，仍是其商业化道路上必须攻克的难题。

锂离子在传统聚合物电解质中的传输速度并不算快。“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。”郑云说。

从微观尺度上看，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，使锂离子每移动一步都需要克服巨大的能量障碍。

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，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。“它们只能起到局部优化的作用。”郑云分析，“就像在一条崎岖不平的老路上，偶尔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。”

内建电场成为“智能导航”

“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’。”两年前的一次课题讨论会上，郑云便提出了这一构想。研究团队跳出为传统材料改性的思维定式，以跨学科思维寻找灵感，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，最终成功构建出一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？郑云解释：“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’。”

研究团队发现，聚合物上的正极侧锌离子和负极侧醚氧，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大幅降低，降幅超过55%，相当于大幅削低了锂离子需要越过的门槛高度。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。”郑云说。

快充性能和使用寿命提升

这项技术最直观的作用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。在约半小时就能充满电的2C倍率下，电池反复充放电5000次之后，容量依然能保持初始值的84%。“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。”研究团队成员、福州大学博士生段松说。

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，寿命直接提升了数倍。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，具有重要意义。

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而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。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，张久俊说。

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