无压循环超千次：中国研发突破推动全固态钠电池产业化进程
12月11日，《自然·通讯》刊发了来自中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室的重要研究成果。该团队成功开发出一种名为“电诱导加速聚合界面修复”的技术，使得安时级全固态钠离子软包电池在无需任何外部压力的情况下，实现了超过1000次的稳定循环。这一进展标志着低成本、高安全性全固态钠电池迈向规模化应用迈出了关键一步。
固态电池的“界面挑战”
全固态电池因其出色的高安全性与高能量密度，被视为下一代储能技术的重要方向。钠基材料则因资源丰富、成本低廉，在性能与经济性之间实现了良好平衡。然而，长期存在的“界面问题”始终是阻碍其产业化的关键障碍。
正如大连化物所杨庭舟教授所言：“就像两块干燥的玻璃，即使表面贴合紧密，微观结构仍可能存在缝隙。” 固态电解质作为电池中离子传输的关键通道，其性能直接关系到整体表现。尤其是氧化物电解质，因具备高离子电导率和良好的化学稳定性，成为研究主流。然而，陶瓷材料本身的脆性为从制备到实际应用带来了巨大挑战。
实验室主任陈忠伟展示了一张通过电子显微镜拍摄的氧化物电解质图像，画面中遍布着微米级裂纹和孔隙。“这些缺陷虽然肉眼不可见，却对界面接触造成显著干扰。”他解释，钠离子在这样的结构中传输，如同车辆穿越坑洼不平的道路，效率低下且易引发金属钠枝晶的非均相生长。这些枝晶可能穿透电解质，导致电池失效。
更进一步，这种不良状态形成了一种恶性循环：电解质的脆性引发裂纹 → 裂纹增加界面阻抗并诱发枝晶 → 枝晶生长进一步加剧裂纹扩展 → 最终导致接触不良、界面失效与性能衰退。
传统方法，如机械压实或高温处理，虽被广泛尝试，却存在显著局限。机械压实可能导致界面在动态负载下松动，高温处理则可能破坏电极结构。尤其在钠电池系统中，钠金属的化学活性更高，导致界面反应更为剧烈，其临界电流密度通常低于2毫安/平方厘米，远不能满足实际应用要求。“界面调控是成败的关键。” 陈忠伟团队自2022年起就将此作为核心研究课题。
破局之道：基于电诱导的“自修复”技术
“既然外力难以奏效，我们为何不尝试让界面自行修复？” 陈忠伟的这一设想为研究带来了新的突破路径。
研究团队开发出一种特殊的“修复胶”，其本质是由可聚合单体与导电粒子组成的复合体系。该材料不仅具备精准填充微裂纹的能力，还能原位形成稳定的“界面保护层”，增强电极与电解质之间的结合。
然而，实现这一设想并非易事。聚合过程的精确控制成为最大难题。初期实验中，修复胶的反应行为难以把控，要么反应迟滞，要么快速结块，产品合格率低于30%。
最终，团队通过建立电润湿铺展、微滴迁移与链式聚合的耦合机制模型，揭示了电场强度、单体极性和聚合速率之间的定量关系。同时，团队自主研发了结合光学显微镜与电化学测试系统的原位表征装置，首次实现了对500纳米级微裂纹中修复胶渗入和固化过程的可视化观察，仅需30秒即可完成固化。
这些技术进步带来了显著的性能提升：
- 临界电流密度达到6.8毫安/平方厘米，为传统电池的三倍以上；
- 在1.0C倍率下循环1000圈后，容量保持率仍超过90%；
- 此外，团队成功制备出安时（Ah）级全固态钠离子软包电池，标志着该技术已超越实验室阶段。
产业化曙光：从实验室走向规模生产
在实验室中试车间内，一枚Ah级软包电池正平稳运行，已累计循环800余次。“无外部加压是产业化的关键。” 陈忠伟指出，传统固态电池通常需要10至20兆帕的外部压力维持界面接触，这不仅增加电池包重量，也显著提升制造成本。
而新方法突破了这一瓶颈。该技术不仅解决了界面难题，还兼容卷绕和叠片等传统锂电池制造工艺，无需复杂的加压设备，大幅降低了量产门槛。
从产业角度来看，这项突破带来的影响深远：
- 大规模储能领域：全固态钠电池的度电成本有望下降超过30%。陈忠伟表示，考虑到钠资源储量远超锂，且无压封装简化了系统设计，长期来看，其度电成本有望低于0.3元；
- 新能源汽车领域：全固态电池摒弃了易燃电解液，具备极高的安全性。同时，其在零下40摄氏度至60摄氏度的宽温域工作能力，可有效缓解北方地区冬季续航下降的问题。
尽管成果突出，团队也意识到，量产化仍面临一定挑战。例如，超薄电解质膜的批次一致性、修复胶的大规模合成工艺等仍需优化。陈忠伟表示，下一步将聚焦公斤级电解质制备、设备连续化改造及中试体系的构建。
随着该界面修复技术的逐步完善，全固态钠电池正加速从实验室走向市场，为我国在全球新一轮储能技术竞争中奠定坚实基础。
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