孙学良团队面对的是困扰全球固态电池研究者数十年的困局：传统固态电池的正极是一个复杂的“复合体”，不仅包含负责储能的活性材料，还掺杂了大量不储存能量的惰性辅助成分——如固体电解质和导电碳。

这些惰性材料虽对电池内部的离子和电子传输至关重要，却如同寄生在能量系统上的额外负担。它们占据了电池内部宝贵的体积空间，导致能量密度下降与成本攀升的双重损耗。

颠覆性突破，一体材料的“三重奏”

面对这一世纪难题，科学家曾提出“一体化正极”的构想：用单一材料同时扮演活性材料、电解质和导电剂三种角色。然而过去十年间，候选材料或因成本过高、或因性能不足，始终未能走出实验室。

2025年6月，孙学良团队联合美国马里兰大学莫一非教授、加拿大西安大略大学岑俊江教授，在《自然》期刊发布了一项颠覆性成果：低成本铁基卤化物材料Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄。

这种材料通过精妙的晶体结构设计，实现了三大功能集成。其晶体结构属于正交晶系，锂和铁原子与氯形成共边八面体网络。其中Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对提供电子传导通道，而三维锂离子扩散网络则实现快速离子传输。

通过结构调控，我们使铁基卤化物同时具有锂离子和电子混合导电能力，以及稳定的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原电对。这种设计一举省去了传统电极中35%以上的非活性材料，为能量密度提升打开了空间。

自愈奇迹，脆韧转换的动态魔术

真正让该材料脱颖而出的，是其充电过程中展现的“动态脆韧转变”特性。研究团队通过原位纳米压痕测试发现，材料在放电态（Fe²⁺主导）时呈现坚硬脆性，杨氏模量达5.69 GPa；而充电态（Fe³⁺主导）则转变为柔韧状态，模量降至0.52 GPa。

这种转变如同魔术：当电池充电时，Fe²⁺氧化为Fe³⁺，引发局部铁离子向四面体空位的可逆迁移。这一过程不仅降低了锂离子扩散能垒（仅1.24 eV），更触发材料从“硬玻璃”变为“软橡胶”的力学性质剧变。

在延展状态下，材料能够自动修复循环中产生的微观裂纹和空隙。循环后的电极表面原有裂纹完全消失，仿佛从未出现过损伤。

这种自我愈合能力源于Fe³⁺态材料的低熔点和蠕变特性。动态力学分析显示其储能模量降至0.57 GPa，在电池内部应力作用下，材料如同被加热的沥青，自然填补因体积变化产生的微裂缝。

性能巅峰，3000次循环的耐久传奇

实验数据揭示了这种一体化电极的惊人性能：在5C高倍率（充放电约10分钟完成） 下循环3000次后，容量保持率仍高达90%。这一数字让传统固态电池望尘莫及——后者通常在数百次循环后就会出现显著衰减。

能量密度表现同样耀眼：作为纯一体化正极时，其电极级能量密度达529.3 Wh/kg；与商业富镍正极材料（NCM83）复合后，更提升至725.6 Wh/kg，远超当前顶级锂离子电池的350-400 Wh/kg水平。

更难得的是其宽温域适应性：在-10°C至60°C温度范围内，电池容量保持率始终高于90%。当电极添加仅2%的导电碳时，面积容量可达7.8 mAh/cm²，完全满足电动汽车电池的实用要求。

研究团队算了一笔经济账：基于廉价铁源（FeCl₂/FeCl₃）和氯元素，电极材料成本仅8.5美元/kWh，比传统NCM83/LPSC复合电极降低74%。

结语

孙学良团队在实验室见证数千次充放电循环后，显微镜下的电极材料依然完好如初。这种铁基卤化物在充放电过程中的“脆韧转变”特性，成就了动态自修复的电池电极。

该设计将电池正极的活性物质、电解质和导电剂三重功能集于一身，突破传统固态电池的能量密度与寿命瓶颈。当全球电动车行业苦等电池技术突破之际，这项登载《自然》的发现，或能让全固态电池的产业化之路迎来破晓时刻。

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