摘要：近日，清华大学化工系张强教授团队传来重磅突破：他们提出“富阴离子溶剂化结构（anion-rich solvation structure）”设计策略，成功研制出一种新型含氟聚醚电解质，让固态聚合物电池能量密度首次跨越 600 Wh/kg 大关！该成果以《Tai
在全球电动化浪潮中，电池技术始终是“卡脖子”的关键环节。如何同时实现高能量密度与高安全性，一直是动力电池研发的终极难题。
近日，清华大学化工系张强教授团队传来重磅突破：他们提出“富阴离子溶剂化结构（anion-rich solvation structure）”设计策略，成功研制出一种新型含氟聚醚电解质，让固态聚合物电池能量密度首次跨越 600 Wh/kg 大关！该成果以《Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg⁻¹ lithium batteries》为题，于 2025 年 9 月 24 日发表在 Nature（《自然》）杂志上。
张强团队的创新在于重塑了电解质分子结构。研究人员在聚醚电解质中引入强吸电子含氟基团，构建出独特的–F∙∙∙Li⁺∙∙∙O–锂键配位结构。
这一分子设计带来三大突破：
拓宽电压窗口至 4.7V，可兼容高电压富锂锰基正极；形成富含氟化物的稳定界面层，极大提升界面稳定性；提高离子传导效率，让锂离子传输更快、更稳。简单来说，这种电解质让电池的“正负两端”能更好地协作，不再因为高压或副反应而加速衰减。
实验结果令人振奋：
首圈库仑效率：91.8%正极比容量：290.3 mAh/g在 0.5C 条件下循环 500 次后，容量保持率仍达 72.1%8.96Ah 软包全电池能量密度达 604 Wh/kg（体积能量密度 1,027 Wh/L）作为对比：
商业化磷酸铁锂电芯：150–190 Wh/kg镍钴锰酸锂电芯：240–320 Wh/kg这意味着，未来的电动车或人形机器人可在相同体积下实现2倍以上的续航。
即使在满充状态下，这种电池仍能顺利通过：
针刺测试：无燃烧、无爆炸120°C 热箱静置 6 小时：稳定无异常得益于含氟聚醚的阻燃特性与界面稳定层设计，其热失控起始温度远高于传统锂电池，为固态电池的大规模应用提供了关键安全保障。
这项研究的意义不仅在于性能数字的突破，更在于**“设计思路的革命”**：
通过“分子层面重构”聚合物电解质，清华团队为高能量密度、高安全性的固态电池提供了全新的材料体系与理论支撑。
未来，这一技术有望在：
电动汽车 人形机器人✈️ 电动飞行器等领域掀起新一轮能源革命。
图文解析
图1展示了聚醚基聚合物电解质与LRMO正极界面的结构演化。在聚醚基电解质中，Li⁺与醚氧原子的强配位作用导致了阴离子缺乏的溶剂结构，这种结构会在充电过程中引起界面分解。而使用氟聚醚基电解质（图1b），通过形成阴离子丰富的溶剂结构，可以稳定LRMO正极表面，并通过Mn–F键抑制氧气逃逸，从而提高界面稳定性。
图2展示了氟聚醚基聚合物电解质的设计与合成过程。通过在热引发自由基聚合反应中共聚聚乙烯醇单体和氟氢化碳单体，制备出了氟聚醚基电解质。DSC分析表明，氟聚醚聚合物与常规聚醚相比，表现为无定形结构，这有助于提高电解质的离子导电性和热稳定性。
图3展示了氟聚醚基电解质在LiTFSI溶液中的溶剂结构特性。通过1H–1H NOESY NMR和1H固态NMR分析，氟聚醚链与氟氢化碳链之间通过F∙∙∙Li+∙∙∙O–CH2–的相互作用形成了紧密的配对结构，从而加速了Li+的迁移。
图4展示了使用PE-SPE和PTF-PE-SPE电解质的LRMO正极界面组成。通过TEM和XPS分析可以看到，PTF-PE-SPE在LRMO表面形成了致密的LiF-rich CEI层，抑制了氧气逃逸并稳定了LRMO的层状结构，而PE-SPE则导致了氧气的不可逆氧化。
图5展示了采用PTF-PE-SPE电解质的LRMO电池的长循环性能、比能量和安全性能。PTF-PE-SPE的电池在500次充放电后保持了72.1%的容量保持率和99.5%的库伦效率，显示出优越的电化学性能。同时，PTF-PE-SPE也表现出较高的安全性能，在热失控测试中未发生火灾，展现出其在高能量密度电池中的应用潜力。
论文信息
Huang, X.-Y., Zhao, C.-Z., Kong, W.-J. et al.Tailoring polymer electrolyte solvation for 600 Wh kg⁻¹ lithium batteries.Nature646, 343–350 (2025).
作者团队
第一作者：黄雪妍（清华大学化工系博士后）
通讯作者：张强教授、赵辰孜助理研究员
研究得到国家重点研发计划、自然科学基金等多项资助。
✨写在最后
当我们谈论“续航焦虑”，清华科研人员正用分子级的创新，重新定义电池的极限。
604 Wh/kg，不只是数字，更是通向未来能源世界的新坐标。
初升青年
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来源：初升青年
