这支团队解锁全固态锂电新前景

电化学储能技术不仅关乎国家能源安全，也决定着新能源产业的升级迭代，具有极高的战略价值和巨大的发展潜力。液态锂离子电池作为当前储能领域的中坚力量，面临两大瓶颈——能量密度已接近理论极限，同时有机电解液存在安全隐患。以固体电解质替代有机电解液的全固态锂电池有望打破这一困局。

“比能量倍增的全固态金属锂电池”研究团队分析电化学数据。化学所供图

为了抢占下一代储能技术制高点，中国科学院迅速行动。由中国科学院与财政部联合发起的“稳定支持基础研究领域青年团队计划”（以下简称“青年团队计划”）于2022年将“比能量倍增的全固态金属锂电池”这一课题纳入年度科学问题清单，面向全院青年科研团队开放申报。“比能量”即能量密度，“比能量倍增”意味着同等重量或体积下，电池的储电能力提升一倍以上。

凭借十余年深耕储能领域的前瞻布局与扎实积淀，中国科学院化学研究所（以下简称化学所）研究员郭玉国带领的青年团队成功“揭榜”。他们从电化学储能的基础科学与关键技术着手，通过优化高容量正负极材料、创新界面调控方法、发展原位表征技术，成功研制出比能量倍增的全固态锂电池原型。

面向国家需求锚定基础研究

这支年轻队伍从“青年团队计划”遴选饼程中脱颖而出并非偶然，而是长期潜心钻研、持续迭代技术、深耕底层创新的结果。

早在2004年至2007年于德国马克斯·普朗克学会从事博士后研究期间，郭玉国就敏锐察觉到全球能源格局的深刻变化，并认识到电化学储能技术的重要战略意义。

2007年，郭玉国学成归国，依托中国科学院深厚的基础研究底蕴与高端科研平台优势，在化学所牵头组建科研团队，研究方向精准锁定具备完全自主知识产权的锂离子电池，以及下一代全固态电化学储能前沿技术。

之后十余年，他们取得了一系列重要进展：提出“纳米三维导电网络”结构电极材料设计原理，发现“纳米限域”电化学储能效应，提出原位固态化技术，研制出非对称多层结构复合固体电解质膜材料……

然而，全固态电池领域最大的“拦路虎”——固-固界面接触与离子电导相关问题一直未能解决。

2021年，“青年团队计划”启动，旨在探索契合基础研究规律的科研管理新模式与人才培养新机制，遴选并稳定支持一批青年人才及团队，瞄准基础前沿科学问题大胆探索创新，培育具有国际竞争力的科技人才后备军。

每年在执行“青年团队计划”时，中国科学院主管部门都要会同智库、科学家，围绕国家战略需求和科学前沿重大问题，凝练并发布“年度科学问题清单”。2022年，看到清单上的“比能量倍增的全固态金属锂电池”课题，郭玉国立即申报。经过多轮遴选后，团队凭借在这一领域的多年深耕以及跨学科人才优势脱颖而出。此后，在中国科学院主管部门的支持协调下，团队结构进一步优化，集聚化学所，中国科学院物理研究所、长春应用化学研究所、大连化学物理研究所等多家单位优质科研力量，由郭玉国“挂帅”，组建起一支平均年龄不超过36岁的高层次跨学科交叉研究队伍，正式向比能量倍增的全固态金属锂电池研发过程中绕不开的“拦路虎”发起挑战。

“全固态锂电池一旦研制成功，不仅能实现安全性的质的飞跃，更有望使能量密度翻倍。这将是储能领域的一场帮命，有望为国家能源安全和相关产业发展提供重要技术支撑。”郭玉国说。

稳定支撑是基础研究突围的坚强保障

固-固界面接触与离子电导不足问题之所以被称为“拦路虎”，是因为在传统液态锂离子电池中，液态电解液能够保持电极与电解质的紧密接触，离子传输畅通无阻，但在全固态锂电池中，固态电解质与固态电极犹如两块砖头叠放在一起，无论工艺如何优化，微观层面始终存在大量缝隙。更复杂的是，这一困境并非静态，而是随时间动态恶化。

“在充放电循环中，电极材料的体积膨胀与收缩持续撕裂界面，导致接触不断劣化。锂金属负极与固体电解质之间的界面易生成孔洞，且随循环进行而逐渐扩大，最终引发界面接触失效和性能快速衰减。”化学所研究员辛森解释说。

以往业界普遍采用外部加压策略解决固-固界面接触问题，这带来了工程化应用的巨大障碍。复杂的加压结构不仅增加成本，带来安全风险，还限制了电池的应用场景。

“仅是摸索最基本的电池组装工艺，团队就花了整整几个月时间，才初步建立起可重复的实验工艺流程。”化学所副研究员孟庆海回忆道。

在低外压运行的严苛要求下，解决界面问题要复杂得多。那段时间，整个团队夜以继日地对基底缓冲拓扑结构进行设计与尝试，引入弹性、塑性、柔性材料，构建三维结构，甚至尝试刚性约束。然而，无数次实验得出的结果却不尽如人意。

“在一次偶然的数据分析中，我们发现，可以通过极其精妙的结构调控，让界面保持一种‘共形’状态。在这个状态下，电极和固体电解质不再是‘敌人’，而是产生了深度的相互作用。”化学所副研究员张娟说。

全新探索之路上机遇与风险并存，而踏入科研创新的“无人区”意味着前路方向尚无定论。“青年团队计划”正是支撑这场未知探索最坚实的底气。该计划面向深耕基础研究的青年科研团队，提供为期5年、持续稳定的强力扶持，容许创新探索过程中的试错与失败，确保科研团队专注科学问题，潜心开展科研工作。

得益于“青年团队计划”的稳定支持，郭玉国带领团队大胆探索，在多个关键环节均取得系统性突破。他们成功创制了多机制协同的复合正/负材料。其内部储能单元如“精密齿轮”般耦合联动，显著提升了电极比容量。同时，他们基于高通量计算，研制出新型固态电解质，构筑起一条“离子高速公路”，兼具高离子电导率、柔性贴合能力及优异稳定性。此外，通过搭建原位表征平台，他们实现了对电极-电解质界面的“实时CT”扫描，精准揭示失效机制，有的放矢地解决问题。

稳定支撑是创新路上的“压舱石”

在郭玉国看来，基础研究是一场在“无人区”里的长途跋涉，没有捷径可走。“全固态锂电池的研究不是简单的线性累积，每一次配方微调、每一版模具改造、每一轮工艺重构，都在为最终的性能跃迁积蓄力量。”

回顾攻关历程，郭玉国坦言：“没有‘青年团队计划’持续、稳定、富有远见的支持，我们很难在这条路上走得远、走得稳。‘青年团队计划’和中国科学院给予的支持，是全固态锂电池研究能够走到今天的关键‘压舱石’。”

正是基于这些支持，团队建成了国内第一套电池原位充放电X射线光电子能谱系统和首个针对全固态电池的飞行时间二次离子质谱原位表征平台。同时，化学所还拥有国际领先的电-力-热多模态分析表征平台，400/600兆固体核磁、600兆动态核极化固体核磁等高端设备，极大缩短了实验反馈周期，将原本需要数周甚至数月才能完成的微观结构解析压缩到几天。

从对固-固界面难题的探索到发现多机制储锂新效应，再到构建完整的材料体系和技术路线，凭借一系列原创性成果，这支年轻的科研团队在2024年获批中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项。中国科学院为优秀青年团队提供“无缝衔接”的支持，使他们能进一步聚焦产业化进程中的关键科学问题。

郭玉国表示：“有了先导专项的支持，我们更有信心将这条创新之路走到底，实现产业应用。”

如今，这支充满活力的团队吸引了越来越多的青年科研人员加入。作为团队负责人，郭玉国毫无保留地将科研心得传递给年轻一代：“科研之路从来不是一马平川，基础研究尤其如此。要想做好基础研究，要有‘选对方向，甘于寂寞’的战略定力，不追热点，甘坐‘冷板凳’；要有‘敢于质疑，善于交叉’的创新思维，在学科融合中寻找突破口；更要有‘坚守诚信，心怀家国’的初心，将个人奋斗融入国家发展进程。这份坚守，是比技术成果更为宝贵的财富。”

他同时强调：“正如辩证唯物主义所揭示的那样，未知恰恰意味着一切皆有可能。正是因为一切都是空白，才值得做，才有意思，才会真正有科学发现。”

现在，团队开发的高容量硅基负极材料已实现千吨级产能，产品性能处于国际先进水平，并成功应用于电池领域头部企业。未来，比能量倍增的全固态锂电池或将让电动汽车彻底摆脱“里程焦虑”。

如今，全固态锂电池这座“高楼”正在拔地而起，最坚实的地基正是对电化学原理的深刻理解与持续多年的基础研究。这支在科研“无人区”跋涉多年的团队，用行动印证了真正的创新往往诞生于对根本问题的长期凝视与寂寞坚守。这段让全固态锂电池从实验室走向广阔天地的征程，则映照出一条由基础研究铺就、通往未来的必然之路，它不追逐一时之光，却能点亮照耀未来的灯塔。