综合卤化物加快全固态电池工业化进程

中国工程院外国院士、宁波东方理工大学讲座教授孙学良团队与马里兰大学、加拿大西安大略大学研究团队合作，开发了一种低成本铁基卤化物材料，整合了正极活性材料、电解质和导电剂的功能，展示了电极的“自我修复”能力。该工作预计将处理全固态电池在能量密度、循环寿命和成本方面的关键瓶颈。6月25日，相关研究成果发表在《自然》上。

全固态电池的正极设计面临着严峻的考验。传统固体电池的正极一般是一种复杂的“复合物”，不仅含有负责储能的活性材料，还含有大量不储能的“惰性”辅助成分，如固体电解质和导电碳。虽然这些惰性材料对电池中的离子和电子传输尤为重要，但它们也带来了能量密度和成本的多重消耗、传输路径阻塞和性能衰减等巨大缺点。

如何设计固体-固界面接触良好、离子/电子传输快、非活性成分少的固体正极，是目前全固态电池领域面临的重大挑战。

科学家们提出了“一体化”正极的概念，即使用一种材料同时扮演三个角色：活性材料、电解质和导电剂。然而，由于成本高或性能差，以前发现的替代材料从未满足实际应用的需要。

孙学良的团队及其合作伙伴建议使用低成本的铁卤化物作为正极材料，同时具有锂离子和电子混合导电能力和稳定的Fe2 /Fe3 氧化还原电对，实现一体化电极设计。在充电过程中，材料将从坚实的脆性状态转变为灵活的延伸状态。这种动态的“脆性转变”可以主动修复循环中产生的微裂纹和间隙，赋予固体电极自愈能力，帮助实现较长的循环寿命。这种独特的自修行为源于设备在充放电过程中局部铁离子的可逆转移和材料溶点的变化。正是这种动态特性使“一体化”正极表现出极好的稳定性。测试数据显示，电极在5C高倍率下循环3000次后，容量保持率约为90%，不含任何额外的导电剂和固体电解质。除了使用寿命长，材料的能量密度也非常好。

孙学良表示，这种综合卤化物材料不仅简化了电池制造过程，而且提供了一个可持续、经济、高效的解决方案，预计将加快全固态电池从实验室向电动汽车、大型电网储能等大规模工业应用的发展。下一步，研究小组计划改进材料的合成过程，以满足大规模生产，并进一步探索其在更高负荷和更严格条件下的性能极限。