科技日报记者 夏凡
记者6月28日从宁波东方理工大学获悉，该校讲席教授孙学良院士团队联合美国马里兰大学莫一非教授、加拿大西安大略大学岑俊江教授，提出了适用于全固态电池的一体化卤化物材料新思路。该材料集正极活性材料、电解质和导电剂功能于一身，展现出电极层面的“自修复”能力。相关研究成果日前发表在国际期刊《自然》上。
传统固态电池的正极通常是一个复杂的“复合体”，不仅包含负责储能的活性材料，还掺杂了大量不储存能量的“惰性”辅助成分，如固体电解质和导电碳。尽管这些惰性材料对电池内部的离子和电子传输至关重要，但它们也带来了很大的弊端，如能量密度与成本的双重损耗等。如何设计出一种固-固界面接触良好，离子/电子传输快，且非活性成分极少的固态正极，是全固态电池领域面临的挑战。破解这一难题，将是全固态电池迈向商业化的关键一步。
为此，科学家提出了“一体化正极”概念，即用一种材料同时扮演活性材料、电解质和导电剂三种角色。但此前发现的候选材料因成本高或性能不佳，未能满足实际应用需求。
研究中，孙学良院士团队及合作者提出使用成本低廉的铁基卤化物作为正极材料，通过结构调控使其同时具有锂离子和电子混合导电能力，以及稳定的Fe2+/Fe3+氧化还原电对，实现一体化电极设计（图1）。在充电过程中，材料会从坚硬的脆性状态转变为柔韧的延展状态。这种动态的“脆韧转变”能够主动修复循环中产生的微观裂纹和空隙，为固态电极赋予了自我愈合的能力，助力其实现超长循环寿命（图2）。“这一独特的自修复行为源于材料在充放电过程中发生的局部铁离子可逆迁移和材料熔点的变化。正是这种动态特性，使得该一体化正极表现出优秀的稳定性。”孙学良说。
实验数据显示，在不含任何额外导电剂和固体电解质的情况下，该电极在5C的高倍率下循环3000次后，容量保持率约为90%。除了超长的寿命，该材料的能量密度也很出色。
据介绍，该研究表明“一体化”卤化物是实现高能量密度、高耐用性全固态电池的可行技术路线。该材料不仅简化了电池制造工艺，还提供了一种可持续且经济高效的解决方案，有望加速全固态电池从实验室走向大规模工业化应用。
（受访者供图）
