硫化物全固態電池憑借高能量密度和優異的安全性，被認為是下一代動力電池的重要發展方向，更是當前全球新能源技術競爭的戰略制高點。然而，在高倍率充放電過程中，負極電子傳輸緩慢、鋰離子擴散受限、固-固界面持續退化以及枝晶生長等問題相互耦合，嚴重制約了全固態電池的倍率性能和循環壽命，成為全固態電池負極研究領域的關鍵科學瓶頸。
針對這一難題，青島能源所武建飛研究團隊提出了一種電子-離子協同導電網絡（Electron-Ion Co-Conductive Network，EICN）設計策略，開發出新型Li–Al–Si–Zn（ASZ@Li）四元合金負極，在55℃下實現了全固態電池在50 C倍率下（72秒）超快速充放電的優異性能，突破了負極材料的“卡脖子”難題。
該合金負極由LiAl、LiZn和LiSi多相組成，其中LiAl相建立連續電子導電網絡，LiZn相促進鋰離子快速、均勻傳輸，富硅區域負責可逆儲鋰并緩沖體積變化，三者協同實現了電子導電、離子傳輸和結構穩定性的統一。此外，該合金負極具備對硫化物電解質的優異化學/電化學穩定性，無需人工SEI防護層，為全固態電池超快充提供了新的材料設計思路。
圖1 ASZ@Li復合負極結構示意圖
得益于EICN結構設計，ASZ@Li負極展現出優異的倍率性能和循環穩定性。與Ni90正極組裝的全固態電池在50 C倍率下（僅需72秒）完成一次完整充放電，并保持105.6 mAh g-1的高可逆容量；在20 C倍率下循環2050次后容量保持率達到80%；在50 C倍率下循環1460次后仍保持80%的容量。此外，在30 mg cm-2高載量正極（面容量6.73 mAh cm-2）條件下，全電池經過520次循環后容量保持率達到86%，展現出優異的實際應用潛力。
圖2 ASZ@Li合金負極在硫化物全固態電池中的性能
原位XRD結果結合密度泛函理論（DFT）計算和多尺度結構表征進一步揭示了EICN的作用機制。研究發現，Al的引入提高了材料電子導電能力，Zn能夠增強材料親鋰性并降低鋰離子遷移勢壘，從而促進電子和鋰離子的協同快速傳輸。該設計可有效降低界面阻抗、抑制硫化物電解質分解并維持穩定的界面結構，提升全固態電池在高倍率條件下的循環穩定性。該研究提出并系統驗證了電子-離子協同導電網絡設計理念，為突破全固態電池超快充瓶頸性能提升提供了新的材料設計范式，也為高功率全固態電池及低空經濟等應用場景的發展提供了重要理論基礎和技術支撐。
圖3 原位XRD測試結果
相關研究成果以High-Rate Charging All-Solid-State Batteries Enabled by a Multiphase Electron-Ion Co-Conductive Alloy Anode為題，近期發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering。該研究得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金、山東省博士后科學基金、青島市博士后科學基金等項目的支持。
電池網微信
