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　　鋰電池續航與安全不可兼得難(nan)題被破解，全球首(shou)顆(ke)新型閃存芯片提供更(geng)高速、更(geng)低能(neng)耗(hao)的數(shu)據支撐 ，一起來看清華大(da)學(xue)、復旦大(da)學(xue)近期的科技創(chuang)新成果——

　　清華大學：

　　鋰電池續航與安全不可兼得難題被破解

　　當前，電(dian)動汽(qi)車、電(dian)動飛(fei)行(xing)器(qi)、人(ren)形機器(qi)人(ren)等前沿(yan)領(ling)域(yu)對動力系統提(ti)出(chu)了高(gao)能(neng)量(liang)、高(gao)安(an)全(quan)(quan)需求，開發兼(jian)具高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)和優異(yi)安(an)全(quan)(quan)性能(neng)的(de)(de)電(dian)池器(qi)件已成(cheng)為當前儲能(neng)領(ling)域(yu)的(de)(de)核心(xin)挑戰。記(ji)者(zhe)從清華大學獲悉(xi)，該校化工(gong)系張(zhang)強教授團隊成(cheng)功開發出(chu)一種(zhong)新型含氟聚(ju)醚電(dian)解質(zhi)，構(gou)筑出(chu)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)達(da)604 Wh kg-1的(de)(de)高(gao)安(an)全(quan)(quan)聚(ju)合物(wu)電(dian)池，解開了鋰(li)電(dian)池續(xu)航與(yu)安(an)全(quan)(quan)不可(ke)兼(jian)得(de)的(de)(de)難題。該研究為開發實用化的(de)(de)高(gao)安(an)全(quan)(quan)性、高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)固態鋰(li)電(dian)池提(ti)供(gong)了新思路與(yu)技(ji)術(shu)支(zhi)撐。相關成(cheng)果日前在線(xian)發表于國際期(qi)刊《自然》。

研究通過設計含氟聚醚電解質，實現了從分子結構到界面性能的創新：強吸電子基團拓寬了電壓窗口；“–F???Li????O–”鋰鍵配位結構誘導形成富氟界面層，增強穩定性。最終成功構筑出能量密度達604 Wh kg?1的高安全聚合物電池

　　固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)憑借其高(gao)能量密度(du)和安(an)全潛力被廣泛視為鋰(li)電池(chi)的(de)重要發展方向，尤(you)其是以(yi)(yi)富鋰(li)錳基(ji)層(ceng)狀氧化物作為正極(ji)材料的(de)固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)體系展現(xian)出(chu)實(shi)現(xian)能量密度(du)突破600 Wh kg-1的(de)潛力。然而固(gu)態(tai)(tai)電池(chi)在實(shi)際應用(yong)過程中(zhong)仍面(mian)臨兩大(da)難題：固(gu)—固(gu)材料之間因剛性(xing)接觸導致的(de)界(jie)面(mian)阻(zu)抗大(da)，以(yi)(yi)及電解質在寬電壓(ya)窗口(kou)下難以(yi)(yi)同時兼(jian)容高(gao)電壓(ya)正極(ji)與強還原性(xing)負極(ji)的(de)極(ji)端化學環境(jing)。

　　研究(jiu)團隊(dui)介紹，在(zai)(zai)傳統固(gu)態電(dian)池設計中(zhong)，常施加(jia)高(gao)壓(ya)(上百個(ge)大氣壓(ya))或構建多(duo)層電(dian)解質，以改(gai)善界面接觸與兼容(rong)性。然(ran)而，高(gao)外壓(ya)條件(jian)在(zai)(zai)實際器(qi)件(jian)中(zhong)難以穩(wen)定維持復雜(za)的(de)多(duo)層結(jie)構，產生多(duo)種新問(wen)題，限制電(dian)池整(zheng)體性能。如何在(zai)(zai)避免高(gao)外壓(ya)和結(jie)構復雜(za)化的(de)前提(ti)下構建穩(wen)定高(gao)效(xiao)的(de)固(gu)—固(gu)界面，成為該領域的(de)關(guan)鍵科學挑(tiao)戰。

　　針對以上挑(tiao)戰，研(yan)究(jiu)團隊提出了“富陰(yin)離子溶劑化結(jie)構(gou)”設計新策(ce)略，成功開發出一種新型(xing)含氟聚醚電解質(zhi)。該電解質(zhi)有效(xiao)增強(qiang)了固(gu)態界(jie)(jie)面的物理接觸與(yu)離子傳導能力(li)，并顯(xian)著提升了界(jie)(jie)面穩定性。

基于含氟聚醚電解質的全電池(a)綜合性能卓越：0.5 C循環500次容量保持率72.1%(b);8.96 Ah軟包電池能量密度達604 Wh kg?1(c)，且顯著優于其他體系(d)。熱失控起始溫度高，順利通過針刺與熱箱測試

　　得(de)益于(yu)(yu)優化的(de)(de)界面性(xing)能，采用(yong)該電(dian)(dian)(dian)解質(zhi)組(zu)裝的(de)(de)富(fu)鋰(li)錳(meng)基聚合物電(dian)(dian)(dian)池(chi)表現出優異(yi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化學性(xing)能。基于(yu)(yu)該電(dian)(dian)(dian)解質(zhi)構建的(de)(de)8.96安時(shi)聚合物軟包(bao)全(quan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)在(zai)施加1兆帕外壓(ya)下，能量(liang)密度實(shi)現跨越式提升(sheng)，達到(dao)604 Wh kg-1，遠超目前商業化的(de)(de)磷(lin)酸(suan)鐵鋰(li)儲能/動(dong)力電(dian)(dian)(dian)芯(xin)、鎳鈷錳(meng)酸(suan)鋰(li)動(dong)力電(dian)(dian)(dian)芯(xin)。

　　在滿充(chong)狀態下，該電池還通過了(le)針刺與120℃熱箱(xiang)(靜置6小時(shi))安(an)全(quan)測試，無燃燒或(huo)爆炸現(xian)象，展現(xian)出優異的安(an)全(quan)性能。

　　復旦大學：

　　全球首顆！復旦團隊研發新型閃存芯片

　　能提供更高速、更低能耗的數據支撐

　　日前(qian)，復旦大學集成(cheng)電路與微納(na)電子創新(xin)學院周鵬、劉春森(sen)團隊率(lv)先研發出(chu)全球首顆二維-硅基混合架構閃(shan)存芯(xin)片，攻(gong)克了新(xin)型二維信(xin)息器件工程化的關(guan)鍵難題，為(wei)新(xin)一代顛覆性器件縮(suo)短應用化周期提供范例。相關(guan)研究(jiu)成(cheng)果于北京時(shi)間10月8日晚間發表在《自然》雜志上。

　　今年4月，周鵬、劉春(chun)森團(tuan)(tuan)隊研(yan)發(fa)出“破曉(xiao)”二維閃存原(yuan)型(xing)器件，實現了400皮秒超高速(su)非(fei)易(yi)失存儲，是迄今最快的(de)半(ban)導體電荷(he)存儲技術(shu)，為打破算力發(fa)展困(kun)境(jing)提供了底層原(yuan)理。時隔半(ban)年，團(tuan)(tuan)隊將“破曉(xiao)(PoX)”與成熟(shu)硅基CMOS(互補金(jin)屬氧化(hua)物半(ban)導體)工藝平臺深度融(rong)合，率先研(yan)發(fa)出全球(qiu)首顆二維-硅基混合架(jia)構芯片。

二維-硅基混合架構閃存芯片結構示意圖，包含二維模塊、CMOS控制電路和微米尺度通孔

　　作(zuo)為(wei)集成電(dian)路的前(qian)沿領域，二維電(dian)子學近(jin)年來(lai)獲得(de)(de)很多關注，但如何(he)讓這項技(ji)術(shu)得(de)(de)到真正(zheng)的應用(yong)，讓二維電(dian)子器件(jian)走向功能(neng)(neng)芯(xin)片?周鵬、劉春森團隊主動融入產(chan)業鏈，嘗(chang)試從未來(lai)應用(yong)的終點出(chu)發，“從10到0”倒推(tui)最具可能(neng)(neng)性的技(ji)術(shu)發展路徑。

　　如何將二維材料(liao)與CMOS集成(cheng)又不破壞其(qi)性(xing)能(neng)，是團隊(dui)需要攻克的核心難(nan)題。“我們(men)沒有必要去(qu)改(gai)變CMOS，而是要去(qu)適應它。”團隊(dui)從本身就(jiu)具有一定柔性(xing)的二維材料(liao)入手(shou)，通(tong)過模塊化的集成(cheng)方案，先(xian)將二維存儲電(dian)路與成(cheng)熟(shu)CMOS電(dian)路分離制造，再與CMOS控制電(dian)路通(tong)過高密度單片(pian)互連技術(shu)(微(wei)米尺度通(tong)孔(kong))實(shi)現完整芯片(pian)集成(cheng)。

二維-硅基混合架構閃存芯片光學顯微鏡照片

　　正是這項核(he)心工藝的(de)(de)創新，實現了(le)在原子尺(chi)度上讓二維材料和CMOS襯底的(de)(de)緊密(mi)貼合(he)，最(zui)終實現超過94%的(de)(de)芯(xin)片良(liang)率。團隊進(jin)一步提出了(le)跨平臺系統(tong)設(she)計(ji)方法(fa)論，包含二維CMOS電路協同設(she)計(ji)、二維CMOS跨平臺接口設(she)計(ji)等，并將這一系統(tong)集成框架命名為“長纓(CY-01)架構”。

　　“這是(shi)中國集成電(dian)路領域(yu)的‘源技術’。”展望二維-硅基(ji)混合架構(gou)閃存(cun)(cun)芯片的未來(lai)，團隊期待該技術顛(dian)覆傳統存(cun)(cun)儲(chu)器(qi)(qi)體系，讓通用(yong)型存(cun)(cun)儲(chu)器(qi)(qi)取代多級分層存(cun)(cun)儲(chu)架構(gou)，為(wei)人工智能(neng)、大(da)數據等(deng)前沿領域(yu)提供(gong)更高速、更低能(neng)耗的數據支撐(cheng)，讓二維閃存(cun)(cun)成為(wei)AI時代的標準存(cun)(cun)儲(chu)方案(an)。