青岛能源所开发出用于全固态电池的超快充锂合金负极

硫化物全固态电池凭借高能量密度和优异的安全性，被认为是下一代动力电池的重要发展方向，更是当前全球新能源技术竞争的战略制高点。然而，在高倍率充放电过程中，负极电子传输缓慢、锂离子扩散受限、固-固界面持续退化以及枝晶生长等问题相互耦合，严重制约了全固态电池的倍率性能和循环寿命，成为全固态电池负极研究领域的关键科学瓶颈。

针对这一难题，青岛能源所武建飞研究团队提出了一种电子-离子协同导电网络（Electron-Ion Co-Conductive Network，EICN）设计策略，开发出新型Li–Al–Si–Zn（ASZ@Li）四元合金负极，在55℃下实现了全固态电池在50 C倍率下（72秒）超快速充放电的优异性能，突破了负极材料的“卡脖子”难题。

该合金负极由LiAl、LiZn和LiSi多相组成，其中LiAl相建立连续电子导电网络，LiZn相促进锂离子快速、均匀传输，富硅区域负责可逆储锂并缓冲体积变化，三者协同实现了电子导电、离子传输和结构稳定性的统一。此外，该合金负极具备对硫化物电解质的优异化学/电化学稳定性，无需人工SEI防护层，为全固态电池超快充提供了新的材料设计思路。

图1 ASZ@Li复合负极结构示意图

得益于EICN结构设计，ASZ@Li负极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。与Ni90正极组装的全固态电池在50 C倍率下（仅需72秒）完成一次完整充放电，并保持105.6 mAh g^-1的高可逆容量；在20 C倍率下循环2050次后容量保持率达到80%；在50 C倍率下循环1460次后仍保持80%的容量。此外，在30 mg cm^-2高载量正极（面容量6.73 mAh cm^-2）条件下，全电池经过520次循环后容量保持率达到86%，展现出优异的实际应用潜力。

图2 ASZ@Li合金负极在硫化物全固态电池中的性能

原位XRD结果结合密度泛函理论（DFT）计算和多尺度结构表征进一步揭示了EICN的作用机制。研究发现，Al的引入提高了材料电子导电能力，Zn能够增强材料亲锂性并降低锂离子迁移势垒，从而促进电子和锂离子的协同快速传输。该设计可有效降低界面阻抗、抑制硫化物电解质分解并维持稳定的界面结构，提升全固态电池在高倍率条件下的循环稳定性。该研究提出并系统验证了电子-离子协同导电网络设计理念，为突破全固态电池超快充瓶颈性能提升提供了新的材料设计范式，也为高功率全固态电池及低空经济等应用场景的发展提供了重要理论基础和技术支撑。

图3 原位XRD测试结果

相关研究成果以High-Rate Charging All-Solid-State Batteries Enabled by a Multiphase Electron-Ion Co-Conductive Alloy Anode为题，近期发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省博士后科学基金、青岛市博士后科学基金等项目的支持。