韩国研究人员发明纯粹结构设计 或突破全固态电池的性能瓶颈

盖世汽车讯 电池是现代社会不可或缺的技术，为智能手机和电动汽车提供动力，但同时也面临着火灾爆炸风险和高昂成本等诸多限制。全固态电池作为一种可行的替代方案备受关注，但要同时满足安全性、性能和成本方面的要求却并非易事。

据外媒报道，韩国科学技术研究院（KAIST）宣布，由材料科学与工程系Dong-Hwa Seo教授领导的研究团队，与首尔大学（Seoul National University）Sung-Kyun Jung教授、延世大学（Yonsei University）Youn-Suk Jung教授和东国大学（Dongguk University）Kyung-Wan Nam教授领导的团队合作，开发了一种全固态电池核心材料的设计方法。该方法使用低成本原材料，无需添加昂贵的金属，同时确保电池的高性能和低火灾爆炸风险。

图片来源： KAIST

传统电池依靠锂离子在液态电解质中的移动。相比之下，全固态电池则使用固态电解质。虽然这使其更加安全，但要实现锂离子在固体内部的快速移动，通常需要昂贵的金属或复杂的制造工艺。

为了在固态电解质中构建高效的锂离子传输通道，研究团队将重点放在了氧和硫等“二价阴离子”上。二价阴离子通过融入电解质的基本框架，在改变晶体结构方面发挥着至关重要的作用。

该团队开发了一种技术，通过引入二价阴离子，可以精确控制低成本锆（Zr）基卤化物固体电解质的内部结构。这种被称为“框架调控机制（Framework Regulation Mechanism）”的设计原理，拓宽了锂离子的传输路径，降低了它们在传输过程中遇到的能量势垒。通过调节锂离子周围的键合环境和晶体结构，该团队实现了锂离子更快、更便捷的移动。

为了验证这些结构变化，研究人员采用了多种高精度分析技术，包括：

• 高能同步辐射X射线衍射（同步辐射XRD）

• 对分布函数（PDF）分析

• X射线吸收光谱（XAS）

• 用于电子结构和扩散的密度泛函理论（DFT）建模。

结果表明，与传统的锆基电解质相比，掺入氧或硫的电解质可使锂离子迁移率提高2至4倍。这意味着使用廉价材料即可实现适用于实际全固态电池应用的性能水平。

具体而言，室温下测得的离子电导率，氧掺杂电解质约为1.78 mS/cm，硫掺杂电解质约为1.01 mS/cm。离子电导率反映了锂离子移动的速度和效率；通常认为，室温下高于1 mS/cm的值足以满足实际电池应用的需求。

Dong-Hwa Seo教授表示：“通过这项研究，我们提出了一种设计原则，该原则能够利用廉价的原材料，同时提高全固态电池的成本和性能。其工业应用潜力巨大。” 第一作者Jae-Seung Kim补充道，这项研究将电池材料研发的重点从“使用什么材料”转移到了“如何设计这些材料”。

该研究由韩国科学技术研究院Jae-Seung Kim和东国大学Da-Seul Han共同担任第一作者，于2025年11月27日发表在国际期刊《Nature Communications》上。