上圖 研究設計思路概念圖。下圖 中國工程院外籍院士、福州大學教授張久俊（右二）、福州大學教授鄭雲（右一）指導學生實驗。受訪者供圖

智能手機、筆記本電腦、新能源汽車，都離不開鋰電池的支撐。然而，充電慢、續航短、存在安全隱患等問題，仍然是鋰電池面臨的主要挑戰。固態電池憑借高安全、高能量密度的優勢，被視為下一代動力電池的核心技術方向。其中，聚合物基固態電池因成本低、柔韌性好、與電極界面接觸優良、易於加工放大，有望率先實現大規模商品化。

中國工程院外籍院士、福州大學教授張久俊，福州大學教授鄭雲團隊在聚合物電解質領域取得突破。該團隊巧妙利用內建電場、力學平衡等基礎物理原理，為解決鋰離子傳輸難題提供了全新思路，有望讓電池充電更快、續航更久、安全性更高。相關成果日前發表於國際期刊《先進材料》和《美國化學會志》。

“行路難”在於“路不好”

如果把鋰離子電池比作一座城市的交通系統，那麼鋰離子就是穿梭在道路上的“汽車”，電解質則是連接各個區域的“道路網絡”。電池的充放電過程，本質上就是鋰離子在正負極之間來回“奔跑”的過程。

隨著人們對電池各項性能要求的不斷提高，傳統液態鋰電池的局限性日益凸顯。其中，安全風險和能量密度短板，已成為其難以滿足下一代應用需求的核心問題。而在聚合物基固態電池領域，如何進一步提升室溫下的離子電導率與倍率性能，仍是其商業化道路上必須攻克的難題。

鋰離子在傳統聚合物電解質中的傳輸速度並不算快。“傳統聚合物電解質就像坑坑窪窪、障礙遍布的公路，鋰離子在上面行進時不得不頻繁減速、走走停停，很難跑得快。這會導致電池充電緩慢，使用壽命也大打折扣。”鄭雲說。

從微觀尺度上看，鋰離子之所以“行路難”，是因為聚合物鏈上的氧原子會像無數隻小手一樣，將鋰離子牢牢抓住。這種強烈的束縛作用，使鋰離子每移動一步都需要克服巨大的能量障礙。

科學家們嘗試通過調整聚合物結構、添加增塑劑或無機填料等多種策略，減弱聚合物對鋰離子的束縛力。這些方法雖然在一定程度上提高了離子電導率，但都存在著各自的局限性。“它們只能起到局部優化的作用。”鄭雲分析，“就像在一條崎嶇不平的老路上，偶爾提高車輛行駛速度或修補部分路坑，雖然能起到一定作用，但並沒有改變這條路起起伏伏、坑坑窪窪的根本問題。”

內建電場成為“智能導航”

“我們不應該只是去修補舊路，而要從根本上改變路的形態，建設一條新的‘高速路’。”兩年前的一次課題討論會上，鄭雲便提出了這一構想。研究團隊跳出為傳統材料改性的思維定式，以跨學科思維尋找靈感，將目光投向了物理學中的“內建電場”概念。

從最初的分子設計、材料合成，到反復優化鋅離子的摻雜比例和分布方式，團隊成員經歷了上百次實驗失敗。為精准表征內建電場的形成機制和作用效果，研究團隊聯合多個國家級測試平台，利用差分電荷密度分析、原位電化學表征等技術，從原子尺度揭示了離子傳輸的微觀動力學過程，最終成功構建出一套新的聚合物電解質體系。

內建電場是如何在微觀尺度上發揮作用的呢？鄭雲解釋：“我們在聚合物鏈上的氧原子附近，有序地引入帶正電的鋅離子作為幫手。鋅離子對電子的吸引力更強，會像吸鐵石一樣，把氧原子周圍的電子雲拉向自己，從而形成了一段方向明確的內建電場。這降低了氧原子對鋰離子的束縛力，相當於給鋰離子鋪設了一條阻力更小的‘高速路’。”

研究團隊發現，聚合物上的正極側鋅離子和負極側醚氧，會自然形成一個穩定的定向內建電場，猶如在電解質內部布下了一張隱形電網。該電場能誘導電荷重新分布，均勻降低醚氧周圍的電子雲密度，從根本上弱化鋰離子與聚合物之間的強配位作用，使鋰離子的遷移能壘大幅降低，降幅超過55%，相當於大幅削低了鋰離子需要越過的門檻高度。差分電荷密度分析進一步証實，電子從醚氧向鋅離子轉移，驗証了內建電場的形成。

“這樣一來，鋰離子便能輕鬆掙脫束縛。更重要的是，連續的內建電場會像智能導航一樣，引導鋰離子沿著指定方向快速移動，避免它們在原地打轉。簡單來說，就是把鋰離子原本負重慢行的狀態，變成了輕裝快跑。”鄭雲說。

快充性能和使用壽命提升

這項技術最直觀的作用體現在電池的快充性能和使用壽命上。研究團隊組裝了常見的磷酸鐵鋰電池進行測試。在約半小時就能充滿電的2C倍率下，電池反復充放電5000次之后，容量依然能保持初始值的84%。“假如一輛電動車每兩天充一次電，5000次循環相當於穩定使用超過27年，而續航能力隻衰減不到兩成，用戶無需為電池不耐用而煩惱。”研究團隊成員、福州大學博士生段鬆說。

研究團隊還組裝了專門用於測試耐用性的對稱電池。結果顯示，該電池能穩定循環超過6000個小時，相比傳統聚合物基電池，壽命直接提升了數倍。這對於航空航天、儲能電站等對電池可靠性要求極高的應用場景，具有重要意義。

在安全性方面，這項技術也帶來了質的飛躍。鋰枝晶是鋰金屬電池在充電過程中，因鋰離子在負極表面不均勻沉積而形成的樹枝狀金屬鋰。其生長常常會刺穿電池隔膜，導致內部短路，進而引發熱失控、起火甚至爆炸。而內建電場設計有利於促進鋰離子的均勻、有序沉積，從而有效抑制鋰枝晶的生長。

值得注意的是，這項研究提供的不是一個特定的材料配方，而是一種普適的設計理念。以往的研究多通過改變材料的化學組成來優化性能，而這項工作開創了利用物理場調控離子傳輸的新范式。這意味著，內建電場的設計策略不僅適用於聚醚類聚合物電解質，還可拓展至其他類型的離子傳導體系，為電化學能源器件的開發提供了一個新的技術平台。

“團隊將繼續推動基礎研究，同時加快推進中試線建設和產業化落地。”在福州大學新能源材料與工程研究院的實驗室內，張久俊說。（王煜東 王憶希 記者謝開飛）