研究人员开发出一种全能型电池正极材料

铁、氯和锂的混合物具有导电性，可存储锂离子，并具备自修复能力。

John Timmer – 2025年6月26日 上午11:08 | 129

固态锂离子电池用于电动汽车，新型研发电池采用固态电解质储能技术，适用于汽车工业，正极材料 图片来源： Just_Super

电池正极材料需要同时具备多种优良性能。它们需要具备导电性以实现电荷在电极间离子的传输，同时还需要具有开放结构以允许离子在到达存储位点前自由移动。大量离子的存储也会导致材料膨胀，产生机械应力，从而逐渐破坏正极材料的结构。

由于很难从单一材料中获得所有这些特性，许多正极材料采用复合材料设计，一种化学物质用于允许离子进出电极，另一种用于存储离子，还可能有第三种提供高导电性。不幸的是，这种设计会在不同材料界面处产生新的问题，缓慢降低电池容量。

现在，一个研究团队提出了一种似乎能同时满足所有需求的材料。它具有合理的导电性，允许锂离子移动并找到存储位点，且由廉价且常见的元素制成。最值得一提的是，它具备自修复能力，在充放电循环中平滑修复损伤。

高容量

主要在中国开展研究的团队旨在简化正极材料的复杂性。”传统复合正极设计通常包含正极活性材料、正极液和电子导电添加剂，但往往受限于大量电化学不活性成分的体积占比，”研究人员写道。他们认为解决方案是创造一种集所有功能于一体的材料，从而去除大部分这些材料。

已有若干研究报道了基于氯化物的化学物质在允许离子通过材料时表现良好，但导电性不佳。因此，研究人员尝试预先加载这些材料以锂。他们聚焦于氯化铁，因为这是一种非常廉价的材料。

研究人员最终目标是开发出化学式为Li1.3Fe1.2Cl4的材料。模拟显示，这种材料会形成一种结构，其中铁和氯位于类似两个四棱锥体（底面相对）的结构中心（游戏爱好者会将其识别为d8结构）。每个结构的四个角落有可变数量的锂原子，分子模拟显示锂离子可以迅速在这些位置之间移动，使材料能够快速穿梭离子。这些位置也为存储离子提供了存放空间。

制造过程涉及将氯化锂与两种不同配方的氯化铁混合。它们通过快速旋转与大量固体球一起研磨，然后将研磨后的混合物在200°C下加热整夜。结果得到一种可应用于电池的材料。

在测试装置中使用时，该材料的能量密度与以耐用性著称的磷酸铁正极材料相似。值得注意的是，它在高充电速率下实际上能保持更多的容量（大多数材料在较低充电速率下表现更好）。其耐用性也很出色，在以15分钟内充满电池的速率进行3000次充放电循环后，仍能保持超过90%的容量。（再次强调，较低充电速率下容量衰减更快。）

该材料的导电性不是很好，但研究人员发现通过混合约2%重量的导电碳可以改善导电性。此外，他们展示了该材料可以覆盖在高容量正极材料上，作为固态电解质，既允许离子流动又能在正极材料容量饱和时存储离子。

快速修复

该材料耐久性的秘密似乎在于其在充电循环中经历相变。随着更多锂离子离开结构，铁相对于氯的位置会发生变化，在整个循环中产生三种不同的相。总体而言，材料在充电过程中填充离子时会膨胀约8%。

熔点也会变化；结合充放电过程中产生的热量，这可能对材料特性产生关键影响：材料从脆性转变为延展性，意味着更容易变形。这种延展性使材料具备自修复能力。”原始Li1.3Fe1.2Cl4电极中的裂纹和空洞在充电后完全修复，”研究人员写道。这种自修复能力几乎肯定是该正极材料能保持90%容量的关键因素，即使相当于十年日常充电。

除了自修复能力，这种材料还有许多优点。它支持快速充电，具有合理的容量，并使用廉价且丰富的原材料。最大的缺点可能是论文中描述的制造工艺，因为实验室中使用的研磨工艺难以大规模生产。研究人员有一些改进的想法，但目前还不清楚这种材料能多快被纳入电池制造。

该材料在制造中可能成功也可能失败，但这项工作表明，即使在主导电池技术多年后，锂离子仍有一些尚未探索的化学特性，等待我们发现惊喜。