国立金乌工科大学材料工学部 Park Cheolmin 教授团队通过“硅全固态电池开发创新”实现世界最高性能

by Kim Ihwan

Published 08 Dec.2025 11:13(KST)

攻克传统硅负极全部瓶颈
实现超高容量、超高速充电、低工作电压与宽温区稳定性
刊登于能源领域顶级期刊“Joule”
连续2年在Joule发表证明全固态电池领域世界级研究实力

国立金乌工科大学8日表示，材料工学部（新材料工学专业）Park Cheolmin 教授研究团队与仁荷大学、韩国电气研究院（KERI）、顺天大学研究团队开展联合研究，成功开发出世界顶尖水平的“用于全固态电池的锂（Li）－硅（Si）化合物负极材料”。

本次研究成果已于上月发表在能源领域世界级学术期刊《Joule》（影响因子35.4）上。Park Cheolmin 教授研究团队继去年之后，连续2年在能源领域顶级期刊《Joule》上发表研究成果，再次证明了其在全固态电池研究领域的世界级科研实力。

自左起为国立金乌工科大学材料工学部教授 Park Cheolmin、国立金乌工科大学新材料工学科博士课程研究员 Kim Dohyun、仁荷大学教授 Jeon Gijun、韩国电气研究院博士 Choi Jeonghee。国立金乌工科大学提供

全固态电池是一种所有组成要素均为固体的下一代电池，被视为替代存在起火、爆炸风险的传统液体电解质锂离子电池的核心技术。

然而，由于硅（Si）负极在充放电时会发生严重体积膨胀、离子与电子电导率低、与固体电解质发生副反应、需要50 MPa以上的高驱动压力等问题，被普遍认为几乎难以应用于全固态电池。

研究团队通过“基于Li－Si化合物的全新负极结构设计”，同时解决了上述所有难题。

Park Cheolmin 教授研究团队利用高度发展的密度泛函理论（DFT）计算，对多种锂－硅化合物的结构与电导特性等进行了系统分析。

结果表明，与传统硅或简单复合体不同，具有特定组成的Li－Si化合物相最适合作为全固态电池负极材料。

尤其是Li7Si3相兼具极高的离子与电子电导率、在充放电过程中几乎无体积变化的稳定反应机理、与硫化物系固体电解质的优异相容性等特性，研究团队通过实验证明，其是用作下一代全固态电池负极材料的最理想结构。

传统硅负极必须施加高驱动压力才能维持颗粒间接触，而Li7Si3相同时具备较高的塑性与弹性变形能，即使在低驱动压力下也能确保致密的颗粒接触稳定性。

结果显示，在仅为普通硅负极所需50 MPa约1/5水平的10 MPa条件下，也成功实现了稳定的电极性能。这大幅降低了制造工艺成本和设备负担，为全固态电池的商业化提供了极其重要的优势。

研究团队制作了由Li7Si3负极、NCM622正极和硫化物系固体电解质（Li6PS5Cl）构成的全固态电池全电池，并对其性能进行了验证。

结果实现了面容量15.96 mAh/cm2（世界最高水平），在6分钟快速充电条件下可稳定循环2000次以上，在−10℃至80℃的宽温区间内稳定运行，并成功制作软包电池，确认了其商业化可能性。通过这些优异性能，进一步证明了其具备“世界最高水平”的全固态电池特性。

本研究从根本上通过单一材料创新解决了长期被视为难题的硅负极体积膨胀、电导率低、高压驱动、结构脆弱等问题，因而在学界和产业界备受瞩目。

Park Cheolmin 教授表示：“通过锂－硅化合物，我们提出了一种能够有效弥补传统硅负极结构和电化学局限性的全新方案”，并强调：“本技术兼具高能量密度、超高速充电性能和低驱动压力等优势，将成为加速全固态电池商业化的关键材料”。

他还表示：“今后将拓展至多种电极材料研究，致力于获取引领下一代电池市场的源头技术”。

本研究在韩国研究财团中坚研究者支援项目及重点研究所项目的资助下开展。主要通讯作者为国立金乌工科大学 Park Cheolmin 教授，共同通讯作者为仁荷大学 Jeon Gijun 教授和韩国电气研究院 Choi Jeonghee 博士。

第一作者为国立金乌工科大学博士课程研究生 Kim Dohyun，共同作者包括顺天大学 Kim Byeongcheol 教授、国立金乌工科大学 Choi Incheol 教授、博士课程研究员 Yoon Jeongmyeong 与 Lee Yeonghan，以及国立金乌工科大学博士后研究员 P. Thondaiman 等。

研究结果已刊登在能源领域世界顶级国际学术期刊《Joule》在线版。