加拿大西安大略大学团队在《Nature》发表的这项研究给出了革命性答案——他们设计出全球首个兼具动态自修复能力与三功能集成（正极/电解质/导电剂）的卤化物材料Li_1.3Fe_1.2Cl₄。该材料通过Fe²⁺/Fe³⁺可逆氧化还原与独特的脆性-韧性转变机制，在3000次循环后仍保持90%容量，电极能量密度达529.3 Wh kg^-1（复合设计可提升至725.6 Wh kg^-1）。更引人注目的是，其成本仅为传统电极的26%，且同步辐射与原子模拟首次揭示了铁迁移诱导的自修复机理。这项工作不仅解决了全固态电池的核心材料瓶颈，更为“材料-力学-电化学”多场耦合设计提供了范式级案例。

在能源存储领域，全固态电池被视为下一代储能技术的圣杯，但其发展长期受制于正极材料的关键瓶颈。传统全固态电池（ASSBs）的复合正极通常由活性材料、固态电解质和导电添加剂组成，这些非活性组分不仅降低能量密度（占电极体积的40-50%），还导致界面副反应和锂离子传输迂曲度增加。尽管“全集成”设计（单一材料同时具备离子/电子传导和电化学活性）可解决这些问题，但现有材料如氧化物（低容量）和硫化物（高成本）难以满足实际需求。卤化物虽具有低成本和高离子电导率优势，但其电子传导性和能量密度不足。因此，开发兼具高电化学性能与机械稳定性的全集成材料成为关键挑战（图1）。

图1. 全固态电池（ASSBs）的电极设计

研究思路

1. 材料设计与结构特性

传统复合电极由活性物质、固态电解质和导电添加剂组成，但非活性组分导致能量密度受限、界面副反应频发。Li_1.3Fe_1.2Cl₄的创新性在于其“一体化”设计（图2）：

晶体结构：通过同步辐射X射线衍射（XRD）和中子衍射确定其属于正交晶系（空间群Cmmm），Li和Fe原子与Cl形成共边八面体结构，其中Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对提供电子传导，而三维Li⁺扩散网络（通过AIMD模拟证实）实现快速离子传输（Li⁺电导率2.28×10^-4 S cm^-1，电子电导率6.98×10^-5 S cm^-1）。

机械性能：原位纳米压痕测试揭示其独特的“脆性-韧性”动态转变——充电态（Fe³⁺主导）的杨氏模量（0.52 GPa）显著低于放电态（5.69 GPa），且表现出蠕变行为，赋予材料自愈合能力。

图2. Li_1.3Fe_1.2Cl₄的结构和物理性质

2. 电化学性能突破

能量密度与循环寿命：作为单一组分正极，Li_1.3Fe_1.2Cl₄在2.52-4.32 V（vs. Li⁺/Li）电压区间提供145 mAh g^-1的可逆容量，电极级能量密度达529.3 Wh kg^-1；与富镍层状氧化物（NCM83）复合后，能量密度进一步提升至725.6 Wh kg^-1（图3a, e）。更引人注目的是，其在5 C (1 C = 150 mA g^–1)倍率下循环3000次后容量保持率高达90%（图3d），远超传统氧化物或硫化物正极。

高负载兼容性：添加2 wt%导电碳后，电极面积容量可达7.8 mAh cm^-2，且在-10°C至60°C宽温域内保持90%以上容量（图3h）。

图3. Li_1.3Fe_1.2Cl₄的电化学性能

3. 动态机制解析

通过多尺度表征技术，研究揭示了材料性能优异的内在机制：

Fe局域迁移与结构演变：Fe K边EXAFS和PDF分析发现，充电过程中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，并伴随可逆的八面体-四面体位点迁移（图4g-j）。这种迁移降低了Li空位周围的库仑排斥，促进Li⁺扩散，同时通过AIMD模拟验证了其低能垒特性（1.24 eV）。

自愈合行为：充电态材料的低熔点和蠕变特性（DMA显示储能模量降至0.57 GPa）使其在应力下修复裂纹（图4l），SEM直接观测到电极循环后裂纹消失，解决了固态电池常见的接触失效问题。

图4. Li_xFe_1.2Cl₄卤化物框架的充/放电机制

4. 实际应用与成本优势

制备简化：一体化设计省去复合电极的粒径匹配和界面优化步骤，干法电极工艺兼容规模化生产。

成本效益：基于铁和氯的廉价原料（FeCl₂/FeCl₃），电极成本仅8.5美元/kWh，比传统NCM83/LPSC复合电极降低74%（图3i）。

总结与展望

Li_1.3Fe_1.2Cl₄通过“材料-结构-性能”的协同设计，实现了高离子/电子电导、动态自愈合和低成本的三重突破，为全固态电池的商业化提供了新范式。未来研究可进一步探索其与锂金属负极的兼容性及规模化合成工艺优化。

原文详情

Jiamin Fu, Changhong Wang, Shuo Wang, Joel W. Reid, Jianwen Liang, Jing Luo, Jung Tae Kim, Yang Zhao, Xiaofei Yang, Feipeng Zhao, Weihan Li, Bolin Fu, Xiaoting Lin, Yang Hu, Han Su, Xiaoge Hao, Yingjie Gao, Shutao Zhang, Ziqing Wang, Jue Liu, Hamid Abdolvand, Tsun-Kong Sham, Yifei Mo & Xueliang Sun. A cost-effective all-in-one halide material for all-solid-state batteries. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1.