勇闖無人區！這支團隊解鎖全固態鋰電新前景

“比能量倍增的全固態金屬鋰電池”研究團隊分析電化學數據。化學所供圖

　　電化學儲能技術不僅關乎國家能源安全，也決定著新能源產業的升級迭代，具有極高的戰略價值和巨大的發展潛力。液態鋰離子電池作為當前儲能領域的中堅力量，面臨兩大瓶頸——能量密度已接近理論極限，同時有機電解液存在安全隱患。以固體電解質替代有機電解液的全固態鋰電池有望打破這一困局。

　　為了搶占下一代儲能技術制高點，中國科學院迅速行動。由中國科學院與財政部聯合發起的“穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃”（以下簡稱“青年團隊計劃”）于2022年將“比能量倍增的全固態金屬鋰電池”這一課題納入年度科學問題清單，面向全院青年科研團隊開放申報。“比能量”即能量密度，“比能量倍增”意味著同等重量或體積下，電池的儲電能力提升一倍以上。

　　憑借十余年深耕儲能領域的前瞻布局與扎實積淀，中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）研究員郭玉國帶領的青年團隊成功“揭榜”。他們從電化學儲能的基礎科學與關鍵技術著手，通過優化高容量正負極材料、創新界面調控方法、發展原位表征技術，成功研制出比能量倍增的全固態鋰電池原型。

　　面向國家需求錨定基礎研究

　　這支年輕隊伍從“青年團隊計劃”遴選過程中脫穎而出并非偶然，而是長期潛心鉆研、持續迭代技術、深耕底層創新的結果。

　　早在2004年至2007年于德國馬克斯·普朗克學會從事博士后研究期間，郭玉國就敏銳察覺到全球能源格局的深刻變化，并認識到電化學儲能技術的重要戰略意義。

　　2007年，郭玉國學成歸國，依托中國科學院深厚的基礎研究底蘊與高端科研平臺優勢，在化學所牽頭組建科研團隊，研究方向精準鎖定具備完全自主知識產權的鋰離子電池，以及下一代全固態電化學儲能前沿技術。

　　之后十余年，他們取得了一系列重要進展：提出“納米三維導電網絡”結構電極材料設計原理，發現“納米限域”電化學儲能效應，提出原位固態化技術，研制出非對稱多層結構復合固體電解質膜材料……

　　然而，全固態電池領域最大的“攔路虎”——固-固界面接觸與離子電導相關問題一直未能解決。

　　2021年，“青年團隊計劃”啟動，旨在探索契合基礎研究規律的科研管理新模式與人才培養新機制，遴選并穩定支持一批青年人才及團隊，瞄準基礎前沿科學問題大膽探索創新，培育具有國際競爭力的科技人才后備軍。

　　每年在執行“青年團隊計劃”時，中國科學院主管部門都要會同智庫、科學家，圍繞國家戰略需求和科學前沿重大問題，凝練并發布“年度科學問題清單”。2022年，看到清單上的“比能量倍增的全固態金屬鋰電池”課題，郭玉國立即申報。經過多輪遴選后，團隊憑借在這一領域的多年深耕以及跨學科人才優勢脫穎而出。此后，在中國科學院主管部門的支持協調下，團隊結構進一步優化，集聚化學所，中國科學院物理研究所、長春應用化學研究所、大連化學物理研究所等多家單位優質科研力量，由郭玉國“掛帥”，組建起一支平均年齡不超過36歲的高層次跨學科交叉研究隊伍，正式向比能量倍增的全固態金屬鋰電池研發過程中繞不開的“攔路虎”發起挑戰。

　　“全固態鋰電池一旦研制成功，不僅能實現安全性的質的飛躍，更有望使能量密度翻倍。這將是儲能領域的一場革命，有望為國家能源安全和相關產業發展提供重要技術支撐。”郭玉國說。

　　穩定支撐是基礎研究突圍的堅強保障

　　固-固界面接觸與離子電導不足問題之所以被稱為“攔路虎”，是因為在傳統液態鋰離子電池中，液態電解液能夠保持電極與電解質的緊密接觸，離子傳輸暢通無阻，但在全固態鋰電池中，固態電解質與固態電極猶如兩塊磚頭疊放在一起，無論工藝如何優化，微觀層面始終存在大量縫隙。更復雜的是，這一困境并非靜態，而是隨時間動態惡化。

　　“在充放電循環中，電極材料的體積膨脹與收縮持續撕裂界面，導致接觸不斷劣化。鋰金屬負極與固體電解質之間的界面易生成孔洞，且隨循環進行而逐漸擴大，最終引發界面接觸失效和性能快速衰減。”化學所研究員辛森解釋說。

　　以往業界普遍采用外部加壓策略解決固-固界面接觸問題，這帶來了工程化應用的巨大障礙。復雜的加壓結構不僅增加成本，帶來安全風險，還限制了電池的應用場景。

　　“僅是摸索最基本的電池組裝工藝，團隊就花了整整幾個月時間，才初步建立起可重復的實驗工藝流程。”化學所副研究員孟慶海回憶道。

　　在低外壓運行的嚴苛要求下，解決界面問題要復雜得多。那段時間，整個團隊夜以繼日地對基底緩沖拓撲結構進行設計與嘗試，引入彈性、塑性、柔性材料，構建三維結構，甚至嘗試剛性約束。然而，無數次實驗得出的結果卻不盡如人意。

　　“在一次偶然的數據分析中，我們發現，可以通過極其精妙的結構調控，讓界面保持一種‘共形’狀態。在這個狀態下，電極和固體電解質不再是‘敵人’，而是產生了深度的相互作用。”化學所副研究員張娟說。

　　全新探索之路上機遇與風險并存，而踏入科研創新的“無人區”意味著前路方向尚無定論。“青年團隊計劃”正是支撐這場未知探索最堅實的底氣。該計劃面向深耕基礎研究的青年科研團隊，提供為期5年、持續穩定的強力扶持，容許創新探索過程中的試錯與失敗，確保科研團隊專注科學問題，潛心開展科研工作。

　　得益于“青年團隊計劃”的穩定支持，郭玉國帶領團隊大膽探索，在多個關鍵環節均取得系統性突破。他們成功創制了多機制協同的復合正/負材料。其內部儲能單元如“精密齒輪”般耦合聯動，顯著提升了電極比容量。同時，他們基于高通量計算，研制出新型固態電解質，構筑起一條“離子高速公路”，兼具高離子電導率、柔性貼合能力及優異穩定性。此外，通過搭建原位表征平臺，他們實現了對電極-電解質界面的“實時CT”掃描，精準揭示失效機制，有的放矢地解決問題。

　　穩定支撐是創新路上的“壓艙石”

　　在郭玉國看來，基礎研究是一場在“無人區”里的長途跋涉，沒有捷徑可走。“全固態鋰電池的研究不是簡單的線性累積，每一次配方微調、每一版模具改造、每一輪工藝重構，都在為最終的性能躍遷積蓄力量。”

　　回顧攻關歷程，郭玉國坦言：“沒有‘青年團隊計劃’持續、穩定、富有遠見的支持，我們很難在這條路上走得遠、走得穩。‘青年團隊計劃’和中國科學院給予的支持，是全固態鋰電池研究能夠走到今天的關鍵‘壓艙石’。”

　　正是基于這些支持，團隊建成了國內第一套電池原位充放電X射線光電子能譜系統和首個針對全固態電池的飛行時間二次離子質譜原位表征平臺。同時，化學所還擁有國際領先的電-力-熱多模態分析表征平臺，400/600兆固體核磁、600兆動態核極化固體核磁等高端設備，極大縮短了實驗反饋周期，將原本需要數周甚至數月才能完成的微觀結構解析壓縮到幾天。

　　從對固-固界面難題的探索到發現多機制儲鋰新效應，再到構建完整的材料體系和技術路線，憑借一系列原創性成果，這支年輕的科研團隊在2024年獲批中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項。中國科學院為優秀青年團隊提供“無縫銜接”的支持，使他們能進一步聚焦產業化進程中的關鍵科學問題。

　　郭玉國表示：“有了先導專項的支持，我們更有信心將這條創新之路走到底，實現產業應用。”

　　如今，這支充滿活力的團隊吸引了越來越多的青年科研人員加入。作為團隊負責人，郭玉國毫無保留地將科研心得傳遞給年輕一代：“科研之路從來不是一馬平川，基礎研究尤其如此。要想做好基礎研究，要有‘選對方向，甘于寂寞’的戰略定力，不追熱點，甘坐‘冷板凳’；要有‘敢于質疑，善于交叉’的創新思維，在學科融合中尋找突破口；更要有‘堅守誠信，心懷家國’的初心，將個人奮斗融入國家發展進程。這份堅守，是比技術成果更為寶貴的財富。”

　　他同時強調：“正如辯證唯物主義所揭示的那樣，未知恰恰意味著一切皆有可能。正是因為一切都是空白，才值得做，才有意思，才會真正有科學發現。”

　　現在，團隊開發的高容量硅基負極材料已實現千噸級產能，產品性能處于國際先進水平，并成功應用于電池領域頭部企業。未來，比能量倍增的全固態鋰電池或將讓電動汽車徹底擺脫“里程焦慮”。

　　如今，全固態鋰電池這座“高樓”正在拔地而起，最堅實的地基正是對電化學原理的深刻理解與持續多年的基礎研究。這支在科研“無人區”跋涉多年的團隊，用行動印證了真正的創新往往誕生于對根本問題的長期凝視與寂寞堅守。這段讓全固態鋰電池從實驗室走向廣闊天地的征程，則映照出一條由基礎研究鋪就、通往未來的必然之路，它不追逐一時之光，卻能點亮照耀未來的燈塔。