科技 | 清華團隊把大豆做成固態(tài)電池電解質，高溫下耐用還環(huán)保

日前，清華大學研究人員開發(fā)出一種由大豆蛋白制成的可再生材料，有望為下一代固態(tài)電池提供高效、長壽命的動力來源。

據了解，目前廣泛應用于智能手機和電動汽車等領域的鋰離子電池，其“接班人”被認為是固態(tài)電池。固態(tài)電池的核心創(chuàng)新在于電解質 —— 作為電池關鍵組成部分，它在電極之間起到橋梁作用，使金屬離子得以通過并產生電流。顧名思義，固態(tài)電池用固體材料取代傳統(tǒng)液態(tài)電解質，從而實現更快充電速度，并有望將儲能容量提升一倍。

盡管固態(tài)電池在性能和成本方面仍需進一步優(yōu)化以具備市場競爭力，但近年來一個備受關注的解決方案是：采用可再生材料制造固態(tài)電解質。這種方法不僅有助于降低電池生產對環(huán)境的影響，還能同時提升電池的性能與安全性。

“我們的研究推動了綠色、可持續(xù)生物質材料在電池科學與技術領域中的應用，為構建更清潔、高效和可持續(xù)的未來貢獻力量。”清華大學教授、該研究論文作者之一申洋（Yang Shen，音譯）表示，“相比傳統(tǒng)固態(tài)電解質，我們利用可再生的大豆蛋白開發(fā)出的高性能電解質，能夠減少廢棄物產生，顯著降低環(huán)境影響。”

大豆蛋白是一種可再生、低成本且易于大規(guī)模種植的材料，因此成為制造經濟環(huán)保型電池的理想候選者。天然大豆蛋白具有允許離子穿行的結構特性，同時也便于科學家對其進行化學改性，從而靈活調控其性能，適配多種應用場景。

申洋指出：“大豆蛋白目前主要應用于食品和醫(yī)療行業(yè)，其易獲取、無毒性和可生物降解的特點，使其在其他領域也展現出巨大潛力。”

為了使大豆蛋白適用于電池，申洋團隊對其進行了化學修飾，提高了其本征導電性，促進鋰離子更順暢地遷移。最終獲得的材料形成了由硬層與軟層交替構成的三維網絡結構，兼具高強度與柔韌性，使電解質既堅固又富有彈性。

使用這種大豆基電解質組裝的固態(tài)鋰電池，在 60°C 條件下穩(wěn)定完成了長達 2000 小時的充放電循環(huán)。當溫度升高至 120°C 時，電池在超過 800 次充放電循環(huán)后仍保持近 75% 的初始容量，顯示出在高溫環(huán)境下可靠運行的應用前景。相比之下，傳統(tǒng)鋰離子電池在超過 60°C 時通常會變得不穩(wěn)定，性能嚴重下降，并可能引發(fā)安全風險，例如有毒且高度易燃物質的泄漏。

此外，這種大豆基材料還有望解決當前許多電解質研發(fā)中面臨的一個關鍵難題：在電池充放電過程中，電解質與電極之間可能發(fā)生化學反應，形成界面層。如果這一界面層無法保持穩(wěn)定，將在每次循環(huán)中持續(xù)增厚，逐漸削弱電池性能。

而采用大豆基材料制成的電池，則在電解質與電極之間形成了薄而均勻的界面層，且長期保持穩(wěn)定。更重要的是，該界面層具有良好的柔韌性，能隨電池充放電過程中的體積變化而伸縮，有效防止裂紋產生。

生命周期評估結果顯示，相較于其他在固態(tài)電池中表現良好的有機電解質材料，大豆基材料的制備過程在酸化效應、致癌物釋放以及化石燃料消耗等方面對環(huán)境的影響更低。同時，該大豆蛋白電解質在使用過程中釋放的有毒或易揮發(fā)性化合物也顯著減少。

申洋表示：“這些結果表明，基于大豆的材料在能源存儲領域具有巨大潛力，為發(fā)展生物質來源的固態(tài)電解質提供了極具前景的技術路徑。”

盡管該材料仍需進一步優(yōu)化，并面對規(guī)模化生產的挑戰(zhàn)，但未來某一天，大豆蛋白或將成為長壽命、環(huán)境友好型電池的重要基礎材料。尤其在電動汽車和電子設備領域，申洋及其團隊認為其應用前景廣闊，特別是在需要電池在極端溫度條件下穩(wěn)定工作的場景中尤為適用。

來源：IT之家

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