本报记者 林婧 通讯员 姚瑶
想象一下：一辆电动汽车，短暂充电就可以续航上千公里，即使在零下30℃的严寒中性能依旧如初——这并非科幻电影中的场景，而是固态电池即将带来的现实。
从1991年商业锂电池问世以来，锂电池为方便、丰富生活提供了可能，特别是汽车逐渐“电动化”，锂电池成了汽车行业的“宠儿”。如今，其能量密度逼近极限，续航焦虑挥之不去，液态电解质易燃易爆的困境始终存在。
于是，科学家把目光转向固态电池。其内部主要为固态电解质，如含锂的无机盐、聚合物或陶瓷等材料。作为下一代动力电池的核心技术方向，固态电池凭借能量密度高、安全性能优、循环寿命长等优势，成为破解传统液态锂电池技术瓶颈、推动新能源产业高质量发展的关键支撑，在电动汽车、无人机、机器人等新兴市场有广阔的应用前景，备受市场关注。
固态电池具备诸多优势，但要投入应用，也有几个必须迈过去的“坎”。近日，宁波东方理工大学助理教授夏威团队，联合甬江实验室研究员林宁团队为电池的硅颗粒“穿”上一件特制的卤素“铠甲”，成功解决了硅基固态电池中硅负极与固态电解质的界面兼容性难题，显著提升了电池的可逆性与循环稳定性，为高能量密度固态电池的实用化提供了关键技术支撑，相关研究成果发表在《自然-通讯》期刊。
解决锂离子消耗“堵点”
根据电解质中固液比例的不同，固态电池还可以简单分为半固态、准固态和全固态三种类别。“我们聚焦全固态电池的开发。”夏威介绍，全固态电池规避了液体电解质高度易燃的特性，提升了电池整体的安全性；在性能方面，全固态电池的能量密度更高、续航能力更强，同时可以实现快充，并在高低温环境下保持性能稳定。
全固态电池的负极采用了储能潜力巨大的硅材料，但在与锂离子“相处”过程中，硅的体积会膨胀。“固体之间的接触不如固体和液体之间，一膨胀会出现界面问题，界面上发生持续的副反应，大量消耗锂离子。”夏威解释，硅本身会与固态电解质发生一些化学或电化学反应，过程中也会大量消耗锂离子，让电池循环次数大打折扣，从而使得电池寿命急剧缩短、充电效率低下。
怎么才能让硅负极与固态电解质“和平相处”呢？团队成员、甬江实验室博士后、宁波东方理工大学访问学者李皓盛从结果倒推，想要解决锂离子消耗的两处“堵点”，就需要对硅负极与固态电解质的界面进行改造。
基于团队在卤素化学上的研究，李皓盛很快想到了卤化物。在尝试了十几种卤化物后，他利用三氯化铝与硅表面非晶氧化层的自发反应，在温和条件下构建了一层复合界面层。这一策略相当于给硅负极穿上了一件“铠甲”，将它保护起来，在兼具界面稳定的同时又能促进电池内电荷的传输。
李皓盛告诉记者，选择三氯化铝，还考虑到后期生产制造全固态电池所需的能耗与成本。三氯化铝的升华温度低于180℃，因此在卤化修饰过程中，只要加热到180℃，反应性气体就能均匀地包裹在硅负极表面，并产生自发反应。
“这种在原位形成卤化物离子导体的方式，操作方法简单而且能耗相对较低，在后期放大过程中会非常有便利性。”夏威补充道，接下来他们希望进一步降低表面卤化工程所需的温度，并在未来进行大批量的展示和应用，“材料越便宜、性能越好，那么未来就越有意义。”
“CT扫描”揭示电池内部奥秘
“我们不光是解决电池性能的问题，还要知道为什么。”李皓盛说。虽然有了卤素“铠甲”的全固态电池早早研制完成，但为了还原锂离子“内耗”的奥秘，深入理解电极内部反应机制，他们决定对锂离子进行“可视化”检测。
夏威告诉记者，他们采用了一种名为“NDP”的中子深度剖面分析技术，专门查看表界面的分布情况。这是一种先进的核分析技术，利用中子束“透视”材料内部，就像做一次CT扫描。由于中子对锂元素这类轻元素极其敏锐，整个“扫描”过程具有高灵敏、高分辨、无损等特点，所以在开展对空气、水分敏感的电池材料研究时，中子深度剖面分析技术展现出无可比拟的优势。它能追踪锂离子在电池充放电时的传输过程，就像为锂电池研发装上了能透视的“慧眼”，为优化电池设计、提升电池性能提供精准“导航”。
为此，他们多次与中国原子能科学研究院的大科学装置平台沟通，争取到宝贵的检测时间。检测当天一早，李皓盛独自一人带着花费了大个半月设计制作的材料样本赶到现场，整个检测过程都紧紧盯着显示结果的电脑屏幕，生怕错过一丝变化，直到上面出现起伏的曲线——确认探测器接收到锂离子发出的信号，他才松了口气，马上兴奋地把喜讯与夏威分享，此时已是傍晚时分。
回到宁波后，他们对检测结果进一步处理，结果令人振奋：未经处理的硅，有9.9%的锂被副反应消耗，还有1.5%的锂被“困”在界面上动弹不得。穿上“铠甲”后，副反应消耗降至7.5%，而被困住的锂几乎完全释放——从1.5%骤降至0.1%。
这意味着，更多的锂离子被用于正常工作，电池的“首次库仑效率”（可以理解为电池第一次充放电的效率）从88.4%提升到了94.3%。
更直观的表现是电池的寿命。在半电池测试中，未经处理的硅在3C（‘C’是表示电池充放电快慢的速率单位，3C意味着用1/3小时充满或放完电）高倍率下循环200次后，容量只剩下14%，而经过处理的硅负极，同样条件下容量保持率高达86%。这意味着电池寿命提升了6倍以上。
数据背后的意义很明确：这件“铠甲”，确实管用。
“用中子表征方法去看材料里元素的分布情况，特别是对于一些轻质元素来说非常有效。”夏威说，这次检测的成功也为团队研发新型的固体电解质材料提供了新方法。通过解析材料的结构，科研人员可以理解锂离子如何在固体电解质里传输，从而指导他们设计更好的固体电解质材料，让锂离子跑得更快。
不久后，夏威团队的相关成果就登上了《自然-通讯》期刊：他们提出阴离子簇交联化学设计策略，成功开发出聚阴离子稳定的低锂含量非晶卤化物电解质，解决了传统卤化物固态电解质高锂依赖、成本高昂、空气敏感性强的行业痛点。
其中重要的创新之处就在于他们利用先进中子和同步辐射结构表征、计算模拟等方法，首次解析了该非晶电解质的高导电机理。“我们花了整整3年时间去解析这个结构。”夏威解释道，对于晶体而言，原子和原子之间是规则排列的，只要知道原子之间的距离和关系，就能无限延展空间，从而解析其结构。而对于非晶材料来说，它失去了这种“规则”，因此团队利用中子和同步辐射全散射PDF分析技术，得到材料中原子对之间的相互关系，然后结合机器学习的理论模拟，对材料结构进行了解析。
“这个工作非常有意义，不只是对研究固体电解质、固态电池，对非晶材料领域的研究也提供了重要理论与技术支撑。”夏威说。
