超高频自加热技术赋能固态电池实现分钟级快速升温与2倍能量释放

【编辑推荐】针对固态电池(SSBs)室温下离子电导率低、放电能量密度骤减的难题，美国劳伦斯伯克利国家实验室团队创新性提出超高频自加热(UHFSH>105 Hz)技术，通过MHz级交流电刺激使电池1分钟内升温至65°C，无需改造电池结构即可实现50 K/min的急速升温，加热能耗仅3.5%，使SSBs在25°C环境下的放电能量提升2倍以上。该非侵入式方案为电动汽车低温启动提供了革命性解决方案。

　　

在电动汽车和便携电子设备蓬勃发展的今天，锂离子电池(LIBs)的局限性日益凸显——液态电解质的易燃性导致安全隐患，能量密度已接近理论极限。固态电池(SSBs)因其不可燃的无机固体电解质(ISE)和高达70%的体积能量密度提升被视为下一代储能利器，但室温下"冻僵"的锂离子却成为致命伤：多数固态电解质在25°C时的离子电导率比液态电解质低2-5个数量级，导致电池内阻剧增，放电容量骤减至理论值的50%以下。更严峻的是，传统外部加热方案需5分钟以上才能达到理想工作温度，而嵌入式加热片又会破坏电池结构。这一矛盾使得SSBs陷入"高性能却无法实用"的困境。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的B.Zhang和Ravi Prasher团队在《Joule》发表突破性研究，将交流电(AC)加热频率从传统kHz级提升至MHz级，创造出超高频自加热(UHFSH)技术。通过锂铝锗磷酸盐(LAGP)电解质对称电池实验证实，该技术可在60秒内实现45°C温升，加热速率达50 K/min，比现有LIBs加热技术快10倍。关键突破在于：MHz级高频电流通过电解质本征介电损耗产热，绕过了电极-电解质界面阻抗瓶颈。电池组仿真显示，配合隔热设计后加热能耗仅消耗总能量的3.5%，却能让SSBs在室温下释放出150 Wh/kg的能量——这是未加热时的3倍，甚至超越商用LIBs的常温性能。

研究采用三大关键技术：1) 通过COMSOL多物理场仿真建立电-热耦合模型，优化MHz级交流电参数；2) 采用冷压法制备15mm直径LAGP电解质片(15,000磅压力)；3) 设计特殊夹具实现电池堆叠压力控制。

【研究结果】
"UHFSH工作原理"章节揭示：升温至65°C时LAGP离子电导率提升5倍，界面阻抗降低90%，激活了厚电极和高载量正极的潜力。"电化学热仿真验证"部分显示，MHz频率下97%热量产生于电解质本体，而kHz频率下70%热量浪费在界面处。"电池组级效益"分析指出，2mm气凝胶隔热层可使热损失降低至0.3%/min，维持高温运行效率。

该研究开创了"非破坏性热激活"新范式——既不改变电池材料体系，也不增加制造复杂度，仅通过外部电路调控即可唤醒SSBs的潜能。相比传统方案，UHFSH使电动汽车冷启动时间从5分钟缩短至30秒，能量利用率提升200%，为SSBs的实际应用扫清了最大障碍。正如作者强调，这项技术可无缝对接现有电池生产线，且适用于氧化物、聚合物等多种固态电解质体系，其普适性将加速全固态电池的商业化进程。