中科院 AM 重磅突破：软硬链段协同凝胶电解质，钠电池实现 10C 倍率下 20000 圈稳定循环

2026 年 5 月 13 日，国际顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子 32.086）在线发表了中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银、吴相伟团队的里程碑式研究成果。该团队提出 "化学 - 结构双调控" 全新策略 ，通过软硬链段协同优化凝胶聚合物电解质，一举解决了传统钠电池 "离子传输与界面稳定性难以兼顾" 的核心痛点，实现了钠金属电池7000 小时无枝晶循环和10C 倍率下 20000 圈超长寿命，且软包电池针刺测试无烟无火，为高安全、长寿命钠电池的产业化注入了决定性动力。

一、行业痛点：凝胶电解质的 "不可能三角"

钠金属电池凭借钠资源全球分布、理论比容量高达 1166 mAh/g、成本低廉等优势，被公认为下一代储能技术的核心方向。其中，凝胶聚合物电解质（GPE） 兼具液态电解质的高离子电导率和固态电解质的机械柔性，且能原位形成共形界面，是最接近产业化的技术路线之一。

然而，传统 GPE 设计长期陷入无法破解的 "不可能三角"：

1.强极性聚合物（如 PAN、PEO）能有效解离钠盐，但会与钠离子形成强配位，拖曳离子迁移，导致迁移数极低

• 2.弱极性聚合物（如 PVDF-HFP）允许钠离子快速迁移，但无法抑制溶剂分解，易形成脆弱的有机主导 SEI 膜，难以阻挡钠枝晶生长

• 3.绝大多数设计将聚合物仅视为 "力学支撑骨架"，完全忽视了其化学活性对离子溶剂化和界面化学的调控作用

这一矛盾直接导致现有钠电池循环寿命短、安全性差，无法满足储能和动力场景的严苛要求。

二、核心创新：软硬链段协同的 "化学 - 结构双调控"

凝胶电解质设计策略及 Na⁺传输示意图：软段构建离子高速通道，硬段提供机械支撑并锚定阴离子

温兆银团队跳出传统思维，创新性地将含氟软段（六氟丁基丙烯酸酯，HFBA） 和刚性硬段（N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺，MBAM） 通过紫外光引发共聚，构建了具有微相分离结构的新型凝胶电解质 GPE-9。

溶剂化结构调控的理论计算与分子模拟验证图

软段：构建弱溶剂化微区，降低去溶剂化能垒

软段中的强吸电子–CF₃基团具有低表面能，可自发富集于溶剂相。其强吸电子效应显著降低了局部电子密度，削弱了钠离子与碳酸酯溶剂的强配位作用，形成疏松的弱溶剂化微环境，使钠离子去溶剂化能从传统液体电解质的 328.3 kJ/mol 大幅降至 288.6 kJ/mol。

GPE-9 的机械性能、结构表征与表面形貌图

硬段：锚定阴离子，增强机械强度

硬段中的酰胺基团（–CONH–）通过强氢键（结合能 - 1.61 eV）强力锚定 ClO₄⁻阴离子，不仅促进了钠盐的解离，还进一步减少了溶剂分子进入钠离子第一溶剂化鞘。同时，刚性硬段网络形成了高强度氢键骨架，使电解质拉伸强度达到 4.83 MPa，断裂伸长率 170%，足以抵抗钠枝晶的穿刺。

协同效应：突破 "强度 - 电导率" 此消彼长的瓶颈。这种软硬链段的微相分离结构，形成了连续的 "软 - 硬" 双连续网络：

• 软相提供快速离子传输通道，室温离子电导率达1.11 mS/cm，接近液态电解质（1.31 mS/cm）。硬相提供机械支撑并锚定阴离子，钠离子迁移数高达0.74，是传统液体电解质（0.46）的 1.6 倍。

• 氧化电位稳定在 5.0 V 以上，兼容绝大多数高电压正极材料

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GPE-9 与传统液体电解质（PH-LE）的电化学性能对比：离子电导率接近液态，迁移数提升 60%

三、性能炸裂：从实验室到实用化的全链条突破

GPE-9 在对称电池与全电池中的电化学性能图

基于 GPE-9 电解质组装的钠电池，在循环寿命、倍率性能和安全性上均实现了历史性突破，多项指标刷新了凝胶电解质钠电池的世界纪录。

1. 7000 小时无枝晶稳定循环

Na|Na 对称电池在 0.2 mA/cm² 电流密度下，稳定循环超过7000 小时，极化电压几乎保持不变；而传统液体电解质电池仅 245 小时即因枝晶穿透发生短路。同时，GPE-9 的临界电流密度提升至 2.3 mA/cm²，钠成核过电位降低至 84.8 mV，循环后钠负极表面平整致密，无任何枝晶生成。

 对称电池循环性能对比：GPE-9 稳定循环 7000 小时，传统电解质 245 小时即短路

XPS 和 TOF-SIMS 深度剖析表明，GPE-9 能够诱导形成 **"外层富有机、中层富 NaF、内层渐减" 的梯度 SEI 膜 **。这种结构既具有优异的离子导电性，又能有效阻止电解液持续分解，从根本上抑制了钠枝晶的生长。

2. 10C 倍率下 20000 圈超长循环

Na|NVP 全电池展现出惊人的循环稳定性：

• 5C 倍率下循环12000 圈，容量保持率高达 84.7%

• 10C 超高倍率下循环20000 圈，单圈容量衰减仅0.0012%，平均库仑效率 > 99.9%

• 高载量正极（13.3 mg/cm²）下，130 圈容量保持 92.6%，面容量达 2.17 mAh/cm²

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对于 4.3 V 高压 NVPF 正极，GPE-9 同样表现出色：1C 倍率下循环 1200 圈，容量保持率 80.9%；而传统液体电解质电池仅 1800 圈即失效，且容量仅剩 29.9%。HRTEM 显示，GPE-9 在正极表面形成了仅 3.95 nm 厚的均匀致密 CEI 膜，有效抑制了高压下的溶剂分解和铝箔腐蚀。

3. 近 1Ah 软包电池 + 针刺不起火

为验证实用化潜力，研究团队成功组装了29 层 HC|NVP 软包电池，初始容量接近 1.0 Ah，200 圈循环后容量保持率 82.8%。基于 NFM 正极的软包电池能量密度达到182 Wh/kg和353 Wh/L，满足多数储能和低速动力场景的需求。

GPE-9 电池无烟无火，针刺后仍可点亮 LED 灯

在最严苛的针刺测试中，GPE-9 软包电池无烟、无火、无明显温升，针刺后仍能正常点亮 LED 灯串；而传统液体电解质电池则冒烟变形，完全失效。这一结果充分证明了该电解质体系的本征安全性。

四、意义与展望

这项研究首次将聚合物链段化学从 "被动力学支撑" 提升至 "主动化学调控" 的高度，提出了 "软段调控溶剂化、硬段锚定阴离子" 的普适性设计策略。它不仅彻底解决了凝胶电解质领域长期存在的核心矛盾，更为开发高倍率、长循环、高安全的钠金属电池提供了全新的分子设计范式。

温兆银团队的这项突破，将显著提升钠电池在电网侧储能、AI 数据中心备电、高寒地区应用等核心场景的竞争力，加速钠电池对部分磷酸铁锂电池的替代进程。随着产业链的不断成熟和技术的持续迭代，钠电池有望在未来 3-5 年内迎来爆发式增长，成为全球能源转型的重要支撑力量。