【复材资讯】清华大学张强团队Nature：攻克4.7 V富锂锰基正极匹配难题，聚合物金属锂电池实现新突破

固态电池因其高能量密度和本征安全性，被公认为下一代储能技术的重要发展方向。其中，采用富锂锰基层状氧化物（比容量＞250 mAh g−1）为正极材料的固态电池体系，展现出实现能量密度突破 600 Wh kg−1的潜力。实现该目标的关键在于构建兼具宽电压兼容性与界面稳定性的固态电解质。近年来，硫化物与卤化物电解质因高离子导率受到关注，但固-固界面接触有待改善。在实际应用中，无机固态电池常需施加上百个大气压的外部压力以维持界面接触，导致系统复杂、能量密度损失大。此外，既能在＞4.5 V电压窗口范围内保持稳定、又能匹配锂金属负极的单一电解质鲜见报道：卤化物电解质易被金属锂还原，硫化物则在高电压下发生氧化分解。面对上述挑战，清华大学张强教授团队创新性地提出“原位共聚富阴离子溶剂化结构”策略，开发出新型含氟聚醚电解质，首次实现4.7 V级富锂锰基正极与金属锂负极的稳定匹配，并在软包电池中实现604 Wh kg−1的能量密度和优异的安全性能，为高能量密度固态电池的实用化提供了新路径。相关研究成果以“Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg−1 lithium batteries”为题发表于《Nature》期刊。  图1新型含氟聚醚电解质：（a）通过设计含氟聚醚电解质，利用强吸电子氟基团拓宽电压窗口；“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”锂键配位结构诱导形成富氟界面层，增强稳定性，实现了从分子结构到界面性能的创新；（b）8.96 Ah软包全电池能量密度高达604 Wh kg⁻¹；（c）质量与体积能量密度显著优于其他电池体系；（d）电池安全性突出，热失控起始温度高，顺利通过针刺与热箱测试。

科技创新

原位共聚含氟聚醚电解质实现界面兼容与紧密接触团队通过热引发原位聚合策略，在电池内部形成与电极紧密贴合的固态电解质层，有效提升界面离子传输效率。通过引入强吸电子含氟基团，显著增强聚醚电解质的抗氧化能力，突破其传统4.0 V电压限制，成功匹配4.7 V富锂锰基正极，实现高电压固态锂金属电池的稳定运行。锂键调控溶剂化结构，构建双重富氟界面在分子层面，研究团队设计具有弱溶剂化能力的氟化链段，形成“–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–”锂键配位结构，引导形成富阴离子型溶剂化结构（CIPs/AGGs），进而在正极侧形成含LiF与Mn–F键的稳定界面层，在负极侧形成富含LiF的SEI膜，同时实现对正负极的高效协同保护。界面演化机制的系统解析借助HR-TEM、TOF-SIMS、XPS等表征手段，团队揭示氟元素在正极近表面晶格中的掺杂效应及Mn–F键的形成机制，有效抑制氧阴离子过度氧化与氧逃逸，提升氧氧化还原反应可逆性。金属锂负极侧的富含LiF的SEI层则显著抑制锂枝晶生长，增强界面稳定性。能量密度与安全性同步突破基于该电解质构建的8.96 Ah聚合物软包全电池在施加1 MPa外压下，能量密度达到604 Wh kg⁻1，远超当前商业化磷酸铁锂（150–190 Wh kg−1）与高比能三元体系（240–320 Wh kg−1）电池。该电池在1 MPa低外压下稳定运行，满充状态下通过针刺及120°C热箱（6小时）测试，无燃烧、爆炸现象，展现出工程级聚合物电池的高安全特性。

总结展望

本研究通过分子级电解质设计，实现了高电压正极匹配、低压力界面稳定与电池安全性能的协同提升，为推动高能量密度固态金属锂电池的实用化提供了关键材料基础与理论支撑，标志着聚合物电解质在下一代电池技术竞争中取得重要进展。