“促进锂金属电池商业化” KAIST-首尔大学开发下一代固态电解质

by Jeong Ilwoong

Published 04 Nov.2025 08:05(KST)

为加速锂金属电池的商业化应用，新一代固态电解质已被开发出来。锂金属电池因有望取代现有锂离子电池，成为下一代高能量电池而备受关注。

然而，可燃性液体电解质火灾风险较高，一直是锂金属电池商业化的绊脚石。作为替代方案的“有机固态电解质”一度受到重视，但其在室温下锂离子传导速度较慢的缺点构成了限制。

与此不同，新开发的固态电解质将锂离子迁移率提升了100倍，并可在室温下工作，有望为锂金属电池的商业化作出贡献。

（从左起）KAIST化学系教授 Byun Hyeryeong、硕博连读课程 Choi Rakhyun、首尔大学教授 Son Changyoon。KAIST提供

KAIST表示，化学系 Byun Hyeryung 教授研究团队与首尔大学 Son Changyoon 教授团队共同开发出一种可在室温下稳定运行的新型有机固态电解质薄膜，并于4日对外公布这一消息。

研究团队首先利用孔洞均匀排布的多孔结构新材料“共价有机骨架结构体（Covalent Organic Framework，COF）”，制备出厚度约为头发丝粗细五分之一（厚度20微米）的固态电解质。

COF电解质具有与今年获得诺贝尔化学奖的金属有机骨架（Metal Organic Framework，MOF）相似的多孔晶体结构，但在电池工作环境中的化学稳定性更高，这是其一大特点。

研究团队以一定间距精细布置负责传导锂离子的“官能团”，使锂离子在室温下也能沿着这些官能团快速移动。通过这一设计，解决了传统电解质中锂离子只能在高温下迁移的问题，并构建出可在分子尺度上精确调控锂离子迁移路径的固态电解质结构。

尤其是，研究团队在纳米级孔道中引入了“二磺酸化官能团”，以便锂离子更易解离并迁移，从而形成一条使锂离子可沿最短直线路径快速移动的通道。

分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟结果显示，这一结构可降低锂离子运动所需的能量，使其在较低能量条件下也能快速迁移，因此电解质在室温下亦可稳定工作。

新开发的电解质薄膜采用“自组装（Self-assembly）”方式制备，能够自发整齐排列，因而表面平整光滑、结构均一。这一优势使锂离子能够无缝贴合在锂金属电极表面，在往返于电极之间时实现更为稳定的迁移，研究团队作出上述说明。

研究结果表明，与现有有机系固态电解质相比，新电解质中锂离子迁移速度提高了10至100倍以上；在应用于锂金属基磷酸铁锂（LiFePO₄）电池时，即便反复进行300次以上充放电循环，仍可维持初始容量的95%以上。同时，其几乎无能量损失的高稳定性（库仑效率99.999%）也得到验证。

Byun 教授表示：“本研究实现了在室温下也能实现快速锂离子迁移的有机固态电解质，从而提高了锂金属电池的商业化可能性”，并称：“如果将COF电解质与无机固态电解质以混合结构形式结合，有望进一步改善界面稳定性问题。”

此外，本研究由KAIST化学系研究生 Choi Rakhyun 作为第一作者参与。研究成果近日发表在国际学术期刊《Advanced Energy Materials》上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。