清华大学的研究人员开发出一种由大豆蛋白制成的可再生材料，有望为高效率和长寿命的下一代固态电池提供动力。

固态电池被认为是锂离子电池技术的继承者，从智能手机到电动汽车，锂离子电池技术随处可见。固态电池的核心创新在于电解质，电解质是任何电池的基本成分，它充当电极之间的桥梁，允许金属离子通过它产生电力。顾名思义，固态电池用固体材料替代传统的液体电解质，以实现更快速充电，并可使能量存储能力翻番。

固态电池在性能和成本上都有着竞争力，但其开发仍在进程中。其中一个备受关注的解决方案是利用可再生材料制造固体电解质，以减少电池制造的环境影响，同时提升电池的性能和安全性。

这篇研究论文的作者，清华大学的Yang Shen教授表示：“我们的研究旨在推动绿色和可持续生物质材料在电池科学与技术领域的应用，助力创造一个更清洁、更高效、更可持续的未来。与传统固体电解质相比，利用可再生材料大豆蛋白开发高性能固体电解质有助于减少废弃物的生成，并最大限度地降低对环境的影响。”

从大豆到高端电池

大豆蛋白是一种可再生、低成本的材料，可以大量种植，成为制造经济环保电池的理想选择。大豆蛋白的天然结构允许离子通过，也允许研究者们轻松修改材料并调整其特性，以适应一系列广泛应用。

Yang Shen指出：“大豆蛋白主要用于食品和医疗行业，这种材料的可及性、无毒性和生物降解性使它在其他领域的前景也值得展望。”

为了制造电池适用材料，研究团队对大豆蛋白进行化学改性，以增强其自然导电性，更利于锂离子通过。最终材料由一个软硬两层的三维网络组成，电解质同时具有韧性和柔性。

大豆蛋白（SP）基交联结构的形成。聚偏二氟乙烯（PVDF）；碳酸乙烯亚乙酯（VEC）；双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）。DOI:10.1002/aenm.202501056

一款采用大豆基电解质制成的固态锂电池在 60°C下稳定充放电 2000 小时。当温度升至 120°C时，电池在800多个充电周期内仍可保持近75%容量，显示出在高温下达到可靠性能的应用潜力。相比之下，传统锂离子电池在超过60°C的温度下通常不稳定，这严重影响其性能，并可能具备安全风险，如有毒且高度易燃的化合物泄漏。

此外，大豆基材料还可以应对电解质开发工作所面临的重大挑战：电池充放电时，电解质与电极之间会发生化学反应，通过沉积化学物质形成一个界面层。如果该层不稳定，它随着每个充电周期不断膨胀，逐步降低电池性能。

采用大豆基材料制造的电池在电解质与电极之间形成薄且均匀的界面，随着时间的推移保持稳定。此外，界面层具有柔性，允许随着电池循环进行膨胀和收缩，从而防止裂纹。

生命周期评估显示，相比在固态电池应用中展现出潜力的其他有机电解质材料，大豆基材料的制造在酸化、致癌物释放和化石燃料使用方面对环境的影响较低。大豆蛋白电解质的有毒或易燃挥发性化合物释放量也显著低于其他材料。

Yang Shen指出：“这些结果表明，大豆基材料在储能领域具有巨大潜力，并为开发基于生物质的固体电解质提供了一条前景光明的途径。”

尽管这种材料仍需优化才能适合下一代电池的大规模生产，但大豆蛋白有望成为未来长寿命环保电池的基础材料。特别是，这项研究中预见到大豆蛋白在电动汽车和电子设备领域的应用前景，尤其是电池在极端温度下可靠工作的场景。

《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）创刊于2011年，是Wiley旗下能源类材料科学权威期刊。期刊秉持国际、综合视角，为各类应用于能源技术中的先进材料的最前沿研究成果提供展示、传播与交流的国际化平台。

参考文献： Yang Shen et al, Eco-Friendly Soy Protein-Based Solid-State Electrolyte Exhibiting Stable High-Rate Cyclic Performances by Molecular Regulation Design, Advanced Energy Materials (2025). DOI:10.1002/aenm.202501056

*封图来源：OpenClipart-Vectors（Pixabay）