記者7月7日從寧波東方理工大學獲悉，該校講席教授孫學良團隊聯(lián)合美國馬里蘭大學教授莫一非、加拿大西安大略大學教授岑俊江，提出了適用于全固態(tài)電池的一體化鹵化物材料新思路，并成功研制低成本鐵基鹵化物新材料。該材料集正極活性材料、電解質(zhì)和導電劑功能于一身，展現(xiàn)出電極層面的自修復能力。相關研究論文發(fā)表于國際期刊《自然》。

傳統(tǒng)固態(tài)電池的正極通常是一個復雜的復合體，不僅包含負責儲能的活性材料，還摻雜了大量不儲存能量的惰性輔助成分，如固體電解質(zhì)和導電碳。盡管這些惰性材料對電池內(nèi)部的離子和電子傳輸至關重要，但它們也帶來了很大弊端，如能量密度與成本的雙重損耗等。如何設計出一種固—固界面接觸良好、離子/電子傳輸快、非活性成分極少的固態(tài)正極，是全固態(tài)電池領域面臨的挑戰(zhàn)。破解這一難題，將是全固態(tài)電池邁向商業(yè)化的關鍵一步。

為此，在此前的研究中，科學家提出了“一體化正極”概念，即用一種材料同時扮演活性材料、電解質(zhì)和導電劑三種角色。但此前發(fā)現(xiàn)的候選材料因成本高或性能不佳，未能滿足實際應用需求。

在本研究中，孫學良團隊及其合作者提出使用成本低廉的鐵基鹵化物作為正極材料，通過結構調(diào)控使其同時具有鋰離子和電子混合導電能力，以及穩(wěn)定的Fe2+/Fe3+氧化還原電對，實現(xiàn)一體化電極設計。在充電過程中，材料會從堅硬的脆性狀態(tài)轉變?yōu)槿犴g的延展狀態(tài)。這種動態(tài)的脆韌轉變能夠主動修復循環(huán)中產(chǎn)生的微觀裂紋和空隙，為固態(tài)電極賦予了自我愈合的能力，助力其實現(xiàn)超長循環(huán)壽命。“這一獨特的自修復行為源于材料在充放電過程中發(fā)生的局部鐵離子可逆遷移和材料熔點變化。正是這種動態(tài)特性，使得該一體化正極表現(xiàn)出優(yōu)秀穩(wěn)定性。”孫學良說。

實驗數(shù)據(jù)顯示，在不含任何額外導電劑和固體電解質(zhì)的情況下，該電極在5C的高倍率下循環(huán)3000次后，容量保持率約為90%。除了超長壽命，該材料的能量密度也很出色。

據(jù)介紹，該研究表明一體化鹵化物是實現(xiàn)高能量密度、高耐用性全固態(tài)電池的可行技術路線。該材料不僅簡化了電池制造工藝，還提供了一種可持續(xù)且經(jīng)濟高效的解決方案，有望推動全固態(tài)電池從實驗室走向大規(guī)模工業(yè)化應用。