全固态电池的发展需要先进的正极设计，以实现其在高能量密度与经济可行性方面的潜力。
其中，一体化全功能正极（all-in-one cathodes）因能够消除无活性导电添加剂和异质界面，在提升能量密度与循环稳定性方面展现出巨大前景。
然而，当前材料普遍存在 Li⁺/e⁻传导性不足、机械强度低和结构稳定性差等问题，阻碍了其实际应用。
在此，来自美国马里兰大学的莫一非、加拿大西安大略大学的Tsun-Kong Sham、东方理工大学&西安大略大学的孙学良院士等研究者提出了一种低成本卤化物正极材料——Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄，成功解决了上述关键瓶颈。相关论文以题为“A cost-effective all-in-one halide material for all-solid-state batteries”于2025年06月25日发表在Nature上。
传统的复合正极结构通常由活性材料、固态电解质（catholyte）和电子导电添加剂三部分组成，但这类设计中大量电化学惰性组分的存在（见图1）显著限制了全固态电池（ASSBs）的性能提升。其主要挑战体现在以下三方面：
可用能量密度降低：典型固态复合正极中，固态电解质通常占据 约30 wt% 和 40–50 vol%。尽管固态电解质对于促进 Li⁺ 传导至关重要，但由于渗流理论限制其进一步减少，这大幅增加成本并降低了单位质量/体积的能量密度。
Li⁺/e⁻扩散路径复杂化：离子与电子在复合结构中的传输弯曲率（tortuosity）显著高于本征材料，意味着电荷在多组分通路中绕行，降低了可实现的倍率性能与实际容量（详见图1放大示意图）。
界面相容性差：活性材料与惰性成分之间的异质界面易发生副反应和接触失效，特别在充放电引起的化学–机械应变作用下，成为造成性能衰退的关键因素。
为克服上述问题，“全功能一体化正极”（all-in-one solid-state cathode）被提出作为一种极具潜力的替代策略。该架构利用本身具备混合离子–电子导电性（MIEC）的活性材料，具备以下三大优势：
几乎可实现100%活性材料利用率；显著降低 Li⁺/e⁻ 迁移弯曲率；消除有害的正极/固态电解质界面问题（见图1）。
然而，寻找合适的一体化材料始终具有挑战性。此前报道的氧化物与硫化物型一体化材料往往存在可逆容量低、循环稳定性差或成本过高（如含Ge元素）的缺陷。
近年来，部分电化学活性的卤化物（如 Li₃TiCl₆、VCl₃、FeCl₃）虽具有成本低、离子导电性快等优势，但电子导电性差、能量密度不足，难以胜任严苛的一体化应用需求。
本研究提出的 Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 正极材料，作为下一代 ASSB 的一体化卤化物解决方案，兼顾电化学性能、离子/电子传导能力与可持续性：
1)Li⁺ 导电率：2.28 × 10⁻⁴ S cm⁻¹
2)电子导电率：6.98 × 10⁻⁵ S cm⁻¹（25 °C）
3)容量：145 mAh g⁻¹，放电平台电压：3.65 V
4)对应能量密度达 529.3 Wh kg⁻¹（对 Li⁺/Li）
通过与高能量密度的富镍层状氧化物协同构建复合正极，整体电极能量密度可进一步提升至 725.6 Wh kg⁻¹。
此外，Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 在充电去锂过程中展现出局域 Fe 迁移行为与材料从脆性向韧性的转变，具备应变诱导的“蠕变–延展”行为，使其具有类自愈能力（self-healing），显著延长循环寿命。
最后，Fe 元素资源丰富且成本低廉，进一步增强了该材料的经济性与可持续性优势，使其成为可实际应用、性能优越的下一代 ASSB 正极候选材料。
图
2 Li1.3Fe1.2Cl4的结构和物理性质
图4 Li
XFe1.2Cl4卤化框架的充放电机制
本研究展示了卤化物材料 Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 在全固态电池中作为全功能一体化正极的应用潜力。
该材料同时具备正极活性、Li⁺ 电导性与电子导电性，能够在不依赖导电添加剂和额外电解质的前提下，实现低成本、简化制备流程，并达到相对于 Li⁺/Li 的电极能量密度 529.3 Wh kg⁻¹。
此外，Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 还能作为活性阴极电解质与氧化物正极协同使用，显著提升复合电极能量密度至 725.6 Wh kg⁻¹。
在充电过程中，Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 表现出由脆性向韧性转变的特性以及自愈行为，这种动态性能与其熔点降低和阳离子局域迁移增强密切相关。从材料本征来看，其优异的 Li⁺/e⁻ 传导性、结构可逆性与自愈能力使得其在无添加剂条件下也能保持稳定的电化学循环性能。
从电极结构层面来看，一体化设计显著降低了扩散弯曲率，提高了活性材料的利用效率，并消除了传统复合结构中常见的界面不匹配问题。
更重要的是，Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ 基于地壳丰度高、成本低的铁元素，在具备高性能的同时也展现出良好的可持续性和产业化前景。
这一创新材料与电极结构的结合为高能量密度、长循环寿命的实用化全固态电池提供了新的设计范式。
Fu, J., Wang, C., Wang, S. et al. A cost-effective all-in-one halide material for all-solid-state batteries. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09153-1
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