記者6月28日從寧波東方理工大學(xué)獲悉，該校講席教授孫學(xué)良院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國馬里蘭大學(xué)莫一非教授、加拿大西安大略大學(xué)岑俊江教授，提出了適用于全固態(tài)電池的一體化鹵化物材料新思路。該材料集正極活性材料、電解質(zhì)和導(dǎo)電劑功能于一身，展現(xiàn)出電極層面的“自修復(fù)”能力。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際期刊《自然》上。

傳統(tǒng)固態(tài)電池的正極通常是一個(gè)復(fù)雜的“復(fù)合體”，不僅包含負(fù)責(zé)儲(chǔ)能的活性材料，還摻雜了大量不儲(chǔ)存能量的“惰性”輔助成分，如固體電解質(zhì)和導(dǎo)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(guān)重要，但它們也帶來了很大的弊端，如能量密度與成本的雙重?fù)p耗等。如何設(shè)計(jì)出一種固-固界面接觸良好，離子/電子傳輸快，且非活性成分極少的固態(tài)正極，是全固態(tài)電池領(lǐng)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(guān)鍵一步。

為此，科學(xué)家提出了“一體化正極”概念，即用一種材料同時(shí)扮演活性材料、電解質(zhì)和導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用需求。

研究中，孫學(xué)良院士團(tuán)隊(duì)及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(jié)構(gòu)調(diào)控使其同時(shí)具有鋰離子和電子混合導(dǎo)電能力，以及穩(wěn)定的Fe2+/Fe3+氧化還原電對，實(shí)現(xiàn)一體化電極設(shè)計(jì)（圖1）。在充電過程中，材料會(huì)從堅(jiān)硬的脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿犴g的延展?fàn)顟B(tài)。這種動(dòng)態(tài)的“脆韌轉(zhuǎn)變”能夠主動(dòng)修復(fù)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(shí)現(xiàn)超長循環(huán)壽命（圖2）。“這一獨(dú)特的自修復(fù)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(diǎn)的變化。正是這種動(dòng)態(tài)特性，使得該一體化正極表現(xiàn)出優(yōu)秀的穩(wěn)定性。”孫學(xué)良說。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在不含任何額外導(dǎo)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%。除了超長的壽命，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(shí)現(xiàn)高能量密度、高耐用性全固態(tài)電池的可行技術(shù)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(jì)高效的解決方案，有望加速全固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

（受訪者供圖）