全固态电池实现零下60度充放电循环！北京大学&南方科技大学最新研究成果发表Nature Communications

一、 【研究背景】  

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统。然而，在低温环境下，传统锂离子电池的容量和功率输出显著降低，充电过程中还可能发生锂枝晶的形成，增加安全风险。这些问题的根本原因在于液态电解质的性能退化：低温导致其粘度上升、界面阻抗增大，进而降低了离子导电性，严重影响了电池的动力学响应和整体性能。相比之下，全固态电池采用固态电解质，能够有效避免这些温度引起的问题。固态电解质对温度变化不敏感，避免了液态电解质在低温下因溶解/脱附能力减弱或粘度增大带来的问题。此外，全固态电池系统中不存在液/固界面去溶剂化过程，这意味着在低温条件下，其电荷转移电阻较低，电化学反应速率更快，性能更加稳定。然而，固态电池依然面临温度对离子传输的影响，特别是在晶界处，低温会导致整体离子电导率下降，从而影响电池的性能。非晶态固态电解质作为一种潜在的解决方案，通过消除晶界，形成各向同性的离子导电路径，有望在低温条件下提升离子传输效率，进而提高全固态电池的低温性能。

二、【成果掠影】

近日，北京大学深圳研究生院邹如强、高磊课题组与南方科技大学朱金龙、韩松柏课题组成功研发了一种新型的非晶固态电解质材料xLi₃N-TaCl₅ (1 ≤ 3x ≤ 2)，并以此为基础设计出面向极寒环境的全固态电池。研究表明，当3x = 1.25时, 即L_1.25NTC非晶电解质，可在25 ℃下可实现5.91 mS cm^‒1的高离子电导率，从而确保电池内部和正极/电解质界面的高效离子传导。基于此，团队采用LiCoO₂（LCO）正极、非晶L_1.25NTCl电解质、硫化物Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）界面层与Li-In负极构建了面向低温环境的全固态电池。该电池在–10、–30、–40 ℃下分别展现出183.19、164.8和143.78 mAh g^‒1的高放电容量，并在–30 ℃与18 mA g^‒1电流密度下经过100次循环后，仍能保持137.6 mAh g^‒1的容量（容量保持率为83.50%）。此外，该电池在–60 ℃下的充放电循环可持续超过200小时，显示了其在极端寒冷条件下的潜在应用前景。

 三、【数据概览】

图1：针对极寒环境下使用而设计的全固态电池结构示意图。该电池由LCO正极、非晶L_1.25NTCl固态电解质、LGPS界面层和Li-In负极组成。这种设计确保了电池在低温环境下的机械与化学稳定性，并优化了固态电解质与电极界面的离子传输。

图2：非晶固态电解质材料xLi₃N-TaCl₅的结构分析。a. 从头算分子动力学模拟得到的非晶结构和配位多面体。b. 不同x值的非晶xLi₃N-TaCl₅在30小时球磨后的XRD图谱。c. 在不同球磨条件下制备的L_1.25NTCl的XRD图谱。d. TaCl₅和非晶L_1.25NTCl的拉曼图谱。e. 非晶L_1.25NTCl的X射线PDF数据及拟合结果。  

图3：非晶固态电解质xLi₃N-TaCl₅的性能分析。a-c. 不同x值、不同球磨时间和不同温度下xLi₃N-TaCl₅所对应的阻抗相应。d. 在25 ℃下，非晶xLi₃N-TaCl₅不同x值对应的离子电导率。e. 在不同球磨条件下L_1.25NTCl对应的离子电导率。f. 非晶L_1.25NTCl在–60 ℃至70 ℃温度范围内对应的Arrhenius离子电导率数据。g. 非晶L_1.25NTCl、Li₆PS₅Cl和Li₂ZrCl₆固态电解质片分别对应的SEM图像。h-i. 通过计算机断层扫描分析的非晶L_1.25NTCl、Li₆PS₅Cl和Li₂ZrCl₆固态电解质片的孔隙率。

图4：a. 在–30 ℃下，以3.0-4.2V vs. Li⁺/Li的充放电范围和14 mA g^‒1下电池的循环性能。b. 在18 mA g^‒1和–10、–30和–40 ℃下电池的放电曲线。c, d. 在–30 ℃下以3.0-4.5V vs. Li⁺/Li的充放电范围和不同倍率下电池的循环性能，以及充放电曲线。f-g. 在–60 ℃下，以3.0-4.5V vs. Li⁺/Li的充放电范围、7.2 mA g^‒1(f)和18 mA g^‒1(g)下对应的充放电曲线。h. 全固态电池在–60 ℃下运行的照片。

该研究成果以“All-solid-state batteries designed for operation under extreme cold conditions”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。其中，通讯作者为北京大学深圳研究生院邹如强教授、高磊副研究员，南方科技大学朱金龙与韩松柏教授；第一作者为南方科技大学博士生洪博龙与北京大学深圳研究生院高磊副研究员。

四、【成果启示】

这项研究不仅提供了全固态电池在极寒环境中的可行性验证，也为未来类似技术的发展指明了方向。

（1）在材料创新设计方面，通过氮掺杂与非晶化相结合，有效提升了电解质的离子电导率以及各向同性传导，使得全固态电池在极寒环境中保持良好的电化学性能。

（2）在电池制备工艺方面，通过合理选择正负极材料以及界面层材料，有效保持电池体相内部的离子传输，为低温运行下容量发挥提供保障。

（3）从产业化角度来讲，该研究不仅展示了可在极端低温环境下运行的全固态电池原型，还为如何优化固态电解质离子电导率与全固态电池组装工艺之间的平衡提供了宝贵的思路。

未来研究可以集中在制备工艺的可控性、批量化制造及成本控制等方面，进一步推动这种技术的商业化应用，特别是在极地科考、航空航天、高海拔基站储能以及寒冷地区电动交通等领域，具有重要且广泛的应用前景。

原文详情：

Hong, B.^#; Gao, L.^#*, Li, C.; Lai, G.; Zhu, J.*; Huang, D.; Zuo, Y.; Yin, W.; Sun, M.; Zhao, S.; Zheng, J.; Han, S.*; Zou R.* All-solid-state batteries designed for operation under extreme cold conditions. Nature Communications. 2025, 16, 143. (https://www.nature.com/articles/s41467-024-55154-5)