僅僅只是一杯咖啡的時間，電動汽車就可以在保證安全的前提下完全充滿電——這是業界對全固態鋰離子電池的厚望。然而，這種被譽為“終極安全”的固態電池，長期以來不得不面對一個核心痛點：充電速度慢，尤其是在追求長續航時需要增厚電極的條件下快充更是難上加難。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊團隊聯合中國科學院院士、山東師范大學教授唐波，西安交通大學教授薛偉江，在這一關鍵問題上取得重要突破。他們創新性地提出一種“架構連續體”設計理念，成功研制出一種由銦、錫、鉍三種元素構成的新型合金負極。該負極助力全固態電池將極限電流密度從傳統固態鋰金屬電池的1毫安每平方厘米提升至150毫安每平方厘米，可以在保持高能量密度的同時展現出驚人的快充性能。相關成果于近期發表在《自然·通訊》上。
“在傳統觀念里，電池的充電速度和能量密度如同‘魚與熊掌’，難以兼得。而對于全固態電池而言，這個問題尤其突出。”論文共同通訊作者、青島能源所研究員董杉木解釋道。電池的充電速度主要取決于電池內部離子和電子的傳輸效率，而離子和電子在厚電極中的傳輸路徑長、傳輸阻力大；除此之外，高容量負極材料在充放電過程中會產生巨大的體積膨脹和收縮，進而破壞固固界面接觸、堵塞傳輸通道，甚至可能引發鋰枝晶生長導致電池短路。
為解決這一難題，研究團隊選用銦、錫、鉍三種“軟”金屬構成合金，通過蠕變變形釋放電池內部應力，使負極始終與電解質維持緊密固固接觸；同時，合金在充放電過程中呈現“分步協同”機制：鉍先構建高離子電導的晶體骨架，銦和錫隨后形成非晶態合金填充其間，從而為負極共同構建優異的離子和電子傳輸通路，為電池的超快充電奠定了基礎。
“這項工作首次在全固態電池體系中同時實現了小于10分鐘的快速充電和大于200瓦時每千克的高能量密度，打破了固態電池領域的性能權衡與取舍。”崔光磊表示，這項研究為發展具有高安全、高能量密度和超快充電能力的下一代電池技術提供了全新的材料設計和解決方案，展示了全固態電池走向商業化的廣闊前景。
該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67352-w
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