近日，宁波东方理工大学/浙江省全省全固态动力电池技术与应用重点实验室的孙学良院士团队与加拿大西安大略大学T.-K. Sham教授、美国马里兰大学莫一非教授合作，在全固态电池正极设计领域取得了突破性进展。2025年6月25日，相关研究成果以“A cost-effective all-in-one halide material for all-solid-state batteries”为题，发表在Nature期刊上。该成果报道了一种低成本铁基卤化物材料，将正极活性材料、电解质和导电剂的功能集于一身，并展现出电极层面的“自修复”能力。这项工作解决了全固态电池在能量密度、循环寿命和成本方面的关键瓶颈。该成果的共同第一作者为西安大略大学博士后傅佳敏、宁波东方理工大学王长虹助理教授和汪硕助理教授。

全固态电池被誉为下一代储能技术的“圣杯”，其在能量密度和安全性方面的潜力远超现有锂离子电池。然而，实现这一愿景的道路上，全固态电池的正极设计却面临着严峻挑战。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，例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，但它们也带来了显著的弊端：

1. 能量密度与成本的双重损耗：惰性成分占据了电池内部宝贵的体积，这不仅显著降低了电池的整体能量密度，还大幅增加了制造成本。

2. 传输路径受阻与性能衰减：复杂的固-固材料混合延长了离子与电子的传输路径。更重要的是，在电池工作过程中，不同材料间的物理接触容易恶化，进而导致电池性能迅速衰退。

因此，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，是当前全固态电池领域面临的重大挑战。破解这一难题，将是全固态电池迈向商业化的关键一步。

为了从根本上解决这些问题，科学家们提出了“一体化”（all-in-one）正极的概念——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。尽管这是一个极具吸引力的设想，但此前发现的候选材料或因成本过高，或因性能不佳，始终未能满足实际应用的需求。

近年来，孙学良院士团队深耕卤化物材料在全固态电池中的应用，发展了一系列具有高离子导、高稳定性的卤化物固态电解质材料（Nat. Mater.，2025； Angew. Chem. Int. Ed.，2025；Adv. Mater., 2024; Nat. Commun.，2023； J. Am. Chem. Soc.，2023）；在理解离子传输机制的基础上，建立了具有一定普适性的卤化物结构与离子传输的构效关系（Nat. Commun.，2023；Nat. Commun.，2024）。

基于长期在卤化物离子超导体的研究基础，该工作中，孙学良院士团队及其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，材料会从一种坚硬的脆性状态转变为一种柔韧的延展状态。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，是实现超长循环寿命的关键秘诀。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以及材料熔点的变化。正是这种动态特性，使得该“一体化”正极表现出卓越的稳定性。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十分出色，作为纯“一体化”正极时，其能量密度可达529.3 Wh kg^-1。更有趣的是，它还能作为一种“活性电解质”，与商业化的富镍正极材料（NCM83）结合使用，将复合电极的能量密度进一步提升至725.6 Wh kg^-1。

图1：ASSB中的电极设计：传统复合正极与一体式正极。

图2：Li_1.3Fe_1.2Cl₄的结构和物理性质。

图3：Li_1.3Fe_1.2Cl₄的电化学性能。

图4：Li_xFe_1.2Cl₄卤化物材料的充-放电过程中的动态变化。

这项工作证实了“一体化”卤化物是实现高能量密度、高耐用性全固态电池的一条极具前景的技术路线。孙学良研究团队认为，这种一体化卤化物材料不仅简化了电池制造工艺，更重要的是，它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，例如电动汽车和大规模电网储能。研究团队的下一步计划包括优化材料的合成工艺以适应大规模生产，并进一步探索其在更高负载和更严苛条件下的性能极限。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1