“电池胶水”修补界面裂痕

全固态钠离子电池（以下简称“全固态钠电”）因高安全性和高能量密度被视为下一代储能技术的电池胶水核心，而钠基材料凭借钠资源丰富、修补成本低廉的界面优势，成为平衡性能与经济性的裂痕优选方向。但固态电解质与电极间的电池胶水界面问题，长期以来像一道无形的修补墙，阻挡着技术落地的界面脚步。

中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）能源催化转化全国重点实验室团队近日在《自然·通讯》上发表的裂痕一项重要成果，如同在这道墙上打开了一扇门。电池胶水他们研发的修补电诱导加速聚合界面修复技术，成功让Ah级全固态软包电池在无外部加压的界面条件下稳定循环超1000圈，使得全固态电池向产业化迈出关键一步，裂痕为低成本储能技术的电池胶水规模化应用扫清了核心障碍。

固态电池的修补界面困境

“就像两块干燥的玻璃，叠放再紧密也会存在缝隙，界面这就是固态电池的界面困境。”大连化物所动力电池与系统研究部访问学者杨庭舟点出了全固态电池产业化的核心痛点。作为全固态电池的“心脏瓣膜”，固态电解质承担着传输钠离子的关键作用，而氧化物电解质因高离子电导率和化学稳定性，成为科研界的重点攻关方向。但氧化物电解质的固有脆性使其从制备到使用的每一步都极易受损。

在大连化物所能源催化转化全国重点实验室里，该实验室主任陈忠伟展示了一张氧化物电解质切片的电镜照片：切片表面的孔隙如同路上的坑洼，微米级的裂纹如蛛网般蔓延。“这些肉眼看不见的缺陷，会直接导致界面接触不良。”陈忠伟解释，钠离子穿过电解质与电极的界面，就像车辆要驶过布满坑洼的断头路，不仅传输效率低，还容易引发“交通事故”——金属钠枝晶会顺着裂纹生长，最终穿透电解质导致电池失效。

更为棘手的是，这一问题形成了恶性循环：氧化物电解质的脆性会导致裂纹产生，裂纹引发界面阻抗性升高和枝晶生长，枝晶又进一步加剧裂纹扩展，最终造成“接触不良—界面失效—性能衰减”的连锁反应。“对于这个问题，机械压实的方法就像用夹子硬把两块玻璃挤在一起，导致两块玻璃一遇震动就会松动；高温处理的方法则可能破坏电极结构，得不偿失。”杨庭舟补充说，这些传统方法始终无法在微观尺度上维持稳定、低阻抗的固—固界面，尤其在电池长期循环产生体积变化时，界面会加速退化。

这一困境在全固态钠电领域更为突出。钠离子电池虽在成本和资源禀赋上占优，但钠金属负极的化学活性更高，与固态电解质的界面反应更剧烈，且临界电流密度普遍低于每平方厘米2毫安，远不能满足储能和新能源汽车的实际需求。“界面调控是决定全固态电池成败的关键，这个问题不解决，再高的能量密度也只是空中楼阁。”陈忠伟说。

陈忠伟团队从2022年组建之初，就将界面改性作为核心攻关方向，先后在《德国应用化学》《先进材料》等期刊发表系列成果，为此次突破奠定了基础。

给界面做“微创手术”

“既然外部强制手段行不通，能不能让界面自己‘长’出修复层？”陈忠伟提出的这个问题，为研究指明了新方向。

团队意识到，解决界面问题的关键在于“主动适配”——让修复材料能够精准渗入缺陷，并与电解质、电极形成稳定结合。无数次实验后，修复胶的构想逐渐成型。

这种修复胶并非传统意义上的黏合剂，而是由可聚合单体与导电粒子组成的特殊体系。其创新之处在于“一箭双雕”。“这就像给电池界面做了一次精准的微创手术，既填充了伤口，又长出了保护膜。”杨庭舟描述道。

但将构想变为现实，团队遭遇了前所未有的挑战。他们面临的最大难题在于如何精准控制聚合过程——既要让修复胶在微裂纹深处完成固化，又要避免聚合过快导致涂层不均匀。“最开始，聚合反应要么‘偷懒’不启动，要么‘急躁’地结块，产品合格率不足30%。”杨庭舟回忆道，为了找到最佳反应参数，他们连续数月在实验室监测数据。

转机来自一次机理层面的突破。团队摒弃了单一变量实验的传统思路，建立了电润湿铺展、微滴迁移与链式聚合的耦合机制模型。通过大量数据拟合，他们终于明确了电场强度、单体极性与聚合速率之间的定量关系。

装备创新是技术突破的另一个关键支撑。为实时观察微裂纹中的修复过程，团队自主设计了一套原位表征装置，将光学显微镜与电化学测试系统相结合，实现了可视化监测。“我们第一次清晰看到了修复胶像水一样渗入500纳米的微裂纹，并在30秒内完成固化。那种兴奋至今难忘。”大连化物所动力电池与系统研究部副研究员李俊豪说。

一系列创新最终转化为亮眼的数据：采用该策略的全固态钠电，临界电流密度提升至每平方厘米6.8毫安，是传统电池的3倍以上；在1.0C倍率下，电池循环1000圈后,容量保持率仍超过90%。更令人振奋的是，团队成功制备出Ah级全固态软包电池。“软包结构对界面稳定性要求更高，这个成果证明我们的技术不是只适用于小尺寸样品。”杨庭舟说。

大幅降低量产门槛

在实验室中试车间，一台特殊的电池测试设备正在运行——与传统设备不同，这里的软包电池没有任何外部夹持装置。屏幕上的数据显示，这枚Ah级电池已连续循环800多圈，电压曲线依然保持平稳。“是否需要外部加压是产业化的‘试金石’。”陈忠伟解释道，传统固态电池需要借助夹具施加10到20兆帕的压力维持界面接触，这会大幅增加电池包的重量和制造成本，根本无法应用于新能源汽车和储能系统。

Ah级软包电池在无压条件下稳定循环超1000圈，这一成果彻底打破了上述制约。该技术不仅解决了界面问题，更为电池制造工艺提供了新可能——无需复杂的加压封装设备，并可兼容卷绕、叠片等传统锂电池成熟工艺，大幅降低了量产门槛。

对下游产业而言，这一突破能带来更具实质性的改变。在大规模储能领域，全固态钠电的度电成本有望降低30%以上。“钠资源储量是锂的千倍以上，加上无压封装简化了系统设计，长期来看度电成本能降到0.3元以下。”陈忠伟说。

在新能源汽车领域，全固态电池的安全性优势更为突出。由于彻底摒弃了电解液，全固态电池极大提高了电池的安全性。其可适应零下40摄氏度到60摄氏度的宽温域性能，还解决了北方地区冬季续航衰减的难题。

尽管成果显著，但陈忠伟团队认识到量产之路仍不平坦。“目前超薄电解质膜的批次一致性还需提升，修复胶的规模化合成工艺也在优化中。”他介绍，团队下一步将重点突破三大方向：加大公斤级固态电解质制备技术生产、实现设备的连续化改造、构建从材料到电芯的全链条中试体系。

陈忠伟坦言，随着界面修复技术的不断成熟，全固态电池正从科研成果转化为新质生产力，为我国在全球储能领域抢占技术制高点提供坚实支撑。

(责任编辑：探索)