摘要：实际上，将实验室中的理想原型转化为能够广泛应用的市场化产品，固态电池技术的确面临着一系列严峻挑战，尤其是固-固界面不稳定以及锂枝晶在电解质体相中的不可控生长。这些问题导致电池需要在高温高堆叠压力等苛刻环境下运行。这一关键技术难题使得实验室中表现出色的原型电池难

全固态锂金属电池因其在高能量密度和高安全性方面的潜力，备受电动汽车、便携电子设备及电网储能等领域的关注。

如果你关注这些方面的新闻，大概会有一种印象：从前几年开始，关于固态电池取得关键突破的消息便不绝于耳，有些人甚至大胆预测液态电池即将被全面取代。

但时至今日，预期中的“固态电池时代”似乎并未如期而至，这项被寄予厚望的技术仍未能在市场上大规模铺开，难道说，它真的离我们遥遥无期吗？

实际上，将实验室中的理想原型转化为能够广泛应用的市场化产品，固态电池技术的确面临着一系列严峻挑战，尤其是固-固界面不稳定以及锂枝晶在电解质体相中的不可控生长。这些问题导致电池需要在高温高堆叠压力等苛刻环境下运行。这一关键技术难题使得实验室中表现出色的原型电池难以转化为可规模生产的商业产品。

近期，美国马里兰大学王春生教授课题组提出了一种创新的材料界面调控策略，使高性能全固态锂金属电池能够在近乎常温（30°C）和较低压力（2.5MPa）条件下，实现长期稳定循环。这一突破为固态电池克服商业化障碍提供了全新的技术路径，有望加速其从实验室走向市场的步伐。

图丨张炜冉博士（左）与王春生教授（来源：课题组）

SREI：优于传统 SEI 的更可控的新型界面保护策略

“发展固态电池的主要驱动力是其可以同时提升安全性以及能量密度。”该论文一作、马里兰大学博士后张炜冉向 DeepTech 表示，“目前广泛使用的锂离子电池采用液态电解液，存在一定的安全隐患。固态电解质（SSE, Solid-State Electrolyte）本身不易燃，有望从根本上提高电池的安全性。同时，固态电池体系理论上可以兼容能量密度更高的锂金属负极，这将有助于显著提升设备的续航能力，解决新能源汽车里程焦虑。”

尽管固态电池的理论优势明确，但在实际操作中，尤其是在电极与固态电解质接触的界面区域，存在着复杂的难题。以目前学术及工业中最重点关注的硫化物固态电解质（例如 Li6PS5Cl 或者 Li5.5PS4.5Cl1.5，简称 LPSC）为例，它们虽然具有很高的锂离子传导能力，但电化学稳定性窗口相对较窄。这意味着它们在与锂金属负极接触时易被还原分解，而在与高电压正极材料接触时则易发生氧化分解。

电池在初始循环中，会在电极/电解质界面处自然形成一层钝化层，即固体电解质界面相（SEI, Solid Electrolyte Interphase），用以阻止后续的副反应。然而，对于硫化物电解质而言，自然形成的 SEI 通常不够稳定和致密，且固态电解质体相的孔隙和晶界无法有效抑制锂枝晶的生长（锂枝晶可能刺穿电解质导致电池短路），同时锂枝晶的高反应活性使得电解质持续分解，导致电池库伦效率低寿命迅速缩短。

“为实现大规模应用，固态电池研究力求在室温低堆叠压力下实现高性能运行。”张炜冉指出，“然而，由于锂金属固态电池界面和体相不稳定问题以及材料本身的诸多限制，电池常常需要在高温以及高压条件下进行运行，这使得许多成果难以满足实际应用需求。”

不同于有机液态电解质，无机固态电解质组成上的限制使其很难通过改变成分来直接改变电解质的电化学性质。因而目前的工作主要集中在电解质与电极界面处引入人工中间层，但这些人工层往往厚度较大牺牲能量密度、与电解质本体材料的兼容性不够从而增加界面阻抗、制备工艺复杂且成本较高等。同时，其对高温高压环境的依赖仍未根本消除，因而限制了其大规模应用。

该课题组此次提出的策略，提供了一种不同的解决思路。他们引入了一类特定的化学物质——“还原性亲电体（REs，Reductive Electrophiles）”。这类物质的特点是，当它们与富含电子且易提供锂离子的“亲核体”材料（如硫化物固态电解质或某些电极材料）接触时，能够主动从对方获得电子和锂离子，发生电化学还原反应，并在材料表面原位形成一层新的、致密的、超薄的保护性界面层。研究人员将这层新界面称为“固态还原性亲电体界面相（SREI, Solid Reductive-Electrophile Interphase）”。

图丨“电化学亲电还原”策略示意图（来源：Nature Materials）

这个界面形成过程具有一定的“自限制”特性。张炜冉解释说：“SREI 的形成受电子传递控制。当这层保护膜生长到特定厚度，足以阻挡电子继续通过时，还原反应便会趋于停止。这使得我们十分简单的就可以均匀地形成一层厚度可控且致密的 SREI 层。”这个过程与电池中 SEI 的自然形成有相似之处，但有着超越传统 SEI 的优势。通过通过选择合适的 REs 分子，可以实现对界面层性质（如厚度、成分、均匀性）的更好调控。并且，该过程只需将 REs 溶液与电解质粉末等材料直接接触即可发生，无需外加电场或借助复杂的制造设备。

研究人员通过分子设计，筛选并合成了一种全无机的液态 RE——二氟磷酰氟（DPF，Diphosphoryl fluoride）。DPF 具有较高的还原电位（3.15V vs. Li/Li+），表现出较强的得电子倾向。实验表明，当 DPF 接触 LPSC 固态电解质粉末时，会迅速反应，在 LPSC 颗粒表面形成一层以 LiF-LixPyOzFi 为主要成分的 SREI。

图丨亲电试剂的设计及亲电试剂还原的反应机理（来源：Nature Materials）

这层通过 DPF 处理形成的 SREI 具有以下特点：

1. 疏锂性（Lithiophobic）：对金属锂表现出排斥性，有助于抑制锂枝晶的初始形核，引导锂离子更均匀地沉积。

2. 电子绝缘性：能够有效阻断电子传导，同时防止固态电解质被还原或者氧化。

3. 超薄且致密：其厚度约为 20-30 纳米，相比传统的界面涂层或人工界面层更薄，且结构更为致密。

4. 非晶态结构：非晶结构通常被认为有利于离子传输，并能更好地缓解界面处的应力。

5. 无机成分为主：相比含有机物的界面层，全无机 SREI 通常具有更好的化学和热稳定性。同时稳定正负极。

张炜冉补充道：“更重要的是，与以往策略不同，该方法可直接在电解质颗粒表面构建稳定的 SREI，从而不仅解决电解质与电极之间的界面不稳定问题，也有助于克服固态电解质体相内部的结构与稳定性挑战。”

室温低压力稳定运行成为可能

研究团队利用 DPF 处理后的 LPSC 固态电解质（记为 SREI@SSE）组装了全固态锂金属电池，并进行了性能评估。测试结果显示了该策略带来的显著性能提升。在锂负极稳定性方面，其锂沉积/剥离的平均库仑效率首次实现了 99.7%，并且锂 (1% Mg 掺杂) 对称电池（Li||SREI@SSE||Li）达到 3.4mAcm-2 的临界电流密度和超过 36mAhcm-2 的临界沉积容量。这意味着电池不仅具有极高的可逆性，且能够承受更高的充放电倍率和更深度的锂沉积与剥离。

在室温长循环能力方面，研究团队将该电解质与与高镍三元正极（NCA, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）进行匹配构建全电池系统，即使在相对较高的 2C 倍率下，也能在 30°C 和 2.5MPa 的温和条件下稳定循环 4500 次后，容量保持率仍高达 90%。

在高负载与长寿命表现上，对于实际应用更为关键的高负载条件下（正极面容量 >7mAhcm-2），电池稳定循环超过 10000 小时，平均库仑效率高于 99.9%。“这意味着在正常使用条件下，理论上可支持近十年的稳定使用。”张炜冉对此进行了说明。

此外，研究证明了这一策略也可以扩展电池的工作电压窗口，通过在 NCA 正极材料表面也构建 SREI 层，成功将全电池的工作电压上限提升至 4.5 V，并显著提高了高电压下的循环稳定性。

图丨 DPF LPSC 在全固态锂金属电池中的电化学性能（来源：Nature Materials）

“我们的工作首次在室温及较低压力条件下，实现了兼具长循环寿命和高能量密度的锂金属固态电池。”王春生总结道，“这是该领域的一项重要进展，因为它解决了此前限制固态电池实际应用的关键瓶颈之一，即对苛刻工作条件的依赖。”

从意外发现到普适性技术

科学研究的道路上常有意外之喜，这项技术的提出也颇有一些意料之外。张炜冉表示，这项技术的概念最初源于课题组为液态锂金属电池设计新型溶剂的尝试，希望能形成更稳定的无机 SEI。“然而，我们发现目标分子的高反应活性使其不适用于作为液态电解液的主要溶剂。但正是这个高活性、高还原性的特点，启发了我们将其应用于固态电解质的表面处理，从而意外地解决了固态电池界面稳定性的难题，最终还是实现了预期的性能突破。”

值得注意的是，SREI 的构建策略似乎具有较好的通用性。“这项研究所提出的 SREI 界面构建策略具有良好的普适性。”张炜冉解释说，“它不仅适用于固态电解质，同样可以应用于电池的负极、正极材料。其原理是利用还原性亲电体与无机材料表面的相互作用与电化学反应，这为改善不同类型电池材料的性能提供了广泛的可能性。”

这意味着，SREI 技术可能不仅仅局限于硫化物固态电解质或 氧化物正极，还有望应用于其他类型的固态电解质（如氧化物、卤化物等）、其他正负极材料体系，甚至可能为钠离子电池、钾离子电池等新型储能体系的界面问题提供借鉴。从本质上看，它提供了一种独特的通用表面改性方法，其应用潜力可能超出电池领域本身。

目前，王春生和张炜冉已为这项技术申请专利，并计划成立初创公司推动产业化。“我们正在与学校的产业孵化部门讨论合作事宜，同时也在进一步优化技术参数，为规模化生产做准备。”张炜冉透露。

该技术的突出优势在于其工艺简单、成本低廉且与现有电池制造流程兼容，这对于固态电池的商业化至关重要。与需要高端设备和精密控制的传统涂层技术不同，亲电还原处理只需通过试剂与材料接触发生反应即可完成，无需复杂设备即可实现高质量界面改性。

王春生强调，“这种方法几乎不需要改变现有生产线，也不需要引入复杂设备，这使得技术转化和产业化变得十分可行。”

图丨相关论文（来源：Nature Materials）

日前，相关论文以“通过亲电体还原重塑全固态锂金属电池的界面相”（Revitalizing interphase in all-solid-state Li metal batteries by electrophile reduction）为题，发表在 Nature Materials[1]。马里兰大学博士后研究员张炜冉是第一作者，王春生教授担任通讯作者。

参考资料：

1.Zhang, W., Wang, Z., Wan, H. et al. Revitalizing interphase in all-solid-state Li metal batteries by electrophile reduction. Nat. Mater. 24, 414–423 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02064-y

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来源：DeepTech深科技