Nat Commun 新突破：全固态锂电池破解快充瓶颈！

研究背景

全固态锂离子电池因其高安全性和高能量密度，被视为下一代电动汽车和消费电子产品的理想储能体系。然而，其负极材料在高电流密度下面临离子-电子传导网络脆弱、体积变化剧烈、锂枝晶生长等一系列挑战，尤其在面向实际应用的高面积容量（> 4 mAh cm⁻²）厚电极中，问题更为突出。传统的颗粒堆叠结构电极虽能缓解机械应力，但能量密度有限且三相界面不稳定；而平面金属箔结构电极虽体积能量密度高，却难以在循环过程中维持混合离子-电子传导网络的完整性。

2025年12月16日，山东师范大学/崂山实验室唐波院士、中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员（国家杰青）、董杉木研究员、西安交通大学薛伟江教授等共同提出了一种“架构连续体”合金负极设计理念，通过精准调控铟、锡、铋三种金属元素的比例，成功制备出In₀.₃₈Sn₀.₃₃Bi₀.₂₉三元合金负极，实现了混合离子-电子导电网络的连续构筑，为高功率、快充型全固态电池的开发提供了全新解决方案。

研究内容

研究从材料力学角度出发，筛选出具有高同系温度（TH > 0.5）和低剪切模量的软金属（In, Sn, Bi）。这些特性使得合金在循环应力下能表现出显著的蠕变行为，像粘性流体一样自适应形变，从而有效缓冲应力、抑制裂纹萌生与扩展，维持稳固的固-固接触。基于此设计出的InSnBi合金由InBi和InSn₄两相在纳米至亚微米尺度均匀复合而成，构成三维互联网络。

该负极展现出优异的综合电化学性能：其理论容量达724 mAh g⁻¹，平均工作电位约为0.47 V（vs. Li/Li⁺）。在30°C、5.0 mAh cm⁻²的面容量下，其临界电流密度高达150 mA cm⁻²，处于同类负极材料的领先水平。对称电池在100 mA cm⁻²下可稳定循环超过5500次（550小时），界面阻抗保持稳定。更重要的是，与易产生锂铟枝晶的单质In负极相比，InSnBi负极与Li₆PS₅Cl固态电解质界面相容性极佳，原位表征与理论计算均证实其有效抑制了有害界面副反应（如In₂S₃生成）和锂枝晶的生长。

在实际全电池测试中，采用InSnBi负极与LiCoO₂正极组装的电池表现出卓越的快充性能和循环稳定性。在正极负载量达21.0 mg cm⁻²、N/P比为1.3的苛刻条件下，电池在0.2C下的卷绕级比能量为278.4 Wh kg⁻¹（919.5 Wh L⁻¹）。更令人瞩目的是，其在5C（9.5分钟充电）和6C（8分钟充电）的快充速率下，仍能分别保持73.6%和72.0%的比能量，并实现高达1545.3 W kg⁻¹的比功率。即便在行业级的高面积容量（6.49 mAh cm⁻²）和4C倍率下循环1300圈，容量保持率仍达87.5%，平均库仑效率为99.93%。大尺寸软包电池（3.5 cm × 5.0 cm）在4C倍率下循环650圈后，容量保持率高达90.4%，展现了巨大的实用化潜力。

机理研究表明，InSnBi在锂化/脱锂过程中会发生多步可逆相变。Bi原子因较高的锂化电位率先形成具有三维离子通道和高离子电导率（2.33 mS cm⁻¹）的Li₃Bi相，该相作为稳定的离子传导骨架贯穿始终。In和Sn原子随后协同锂化，形成非晶态的Li-In和Li-Sn相。这种独特的晶体Li₃Bi镶嵌于非晶Li-In/Li-Sn基质的复合结构，不仅提供了连续的离子/电子双通路，而且其无明确晶界的非晶/晶体界面极大地降低了锂离子迁移势垒，促进了快速的体相与界面离子传输。原位XRD、PFG-NMR、AIMD模拟等多重手段验证了这一高效的混合传导机制。

图 1 展示了结构连续型合金的设计理念，对比了传统颗粒堆叠结构（PSA）和平面金属箔结构（PMFA）的优缺点，前者离子电子传输解耦但能量密度不足、易产生副反应，后者致密无孔隙但导电网络易受损、易生长锂枝晶。基于两种结构的优势，设计出由多种金属元素组成的结构连续型合金，具备双连续混合离子电子导电（MIEC）渗流网络和软 - 软接触特性，可缓冲机械应力、阻止裂纹降解；通过同源温度和剪切模量筛选出具有良好柔韧性和蠕变特性的铟、锡、铋三种金属，并示意了铟锡铋负极的锂化过程及优势。

图 2 呈现了铟锡铋合金的相关表征结果，差示扫描量热法（DSC）曲线显示其初始熔点约为 85℃，熔化冷却后仍保持稳定；通过空气环境下熔化浇铸、快速凝固及轧制可便捷制备铟锡铋箔，其截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示具备良好的自支撑特性。X 射线衍射（XRD）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）图谱证实合金由铟铋和铟锡₄两相组成，且存在铟 - 锡和铟 - 铋键，无铟 - 铟键；能量色散谱（EDS）元素 mappings 显示两相在纳米至亚微米尺度均匀混合，形成三维互联网络。半电池电压曲线表明，铟锡铋负极的工作电位为 0.47 V（vs. Li/Li⁺），比容量优于石墨和钛酸锂负极。

图 3 展示了 30℃下铟锡铋的电化学性能，锂 - 铟锡铋 | 锂磷硫氯 | 锂 - 铟锡铋对称电池在 5.0 mAh・cm⁻² 固定容量下，临界电流密度（CCD）可达 150 mA・cm⁻²，且在 100 mA・cm⁻² 电流密度下可稳定循环 5500 次（550 小时）。X 射线计算机断层扫描（XCT）图像显示，相较于铟负极出现严重锂铟枝晶生长，铟锡铋负极无枝晶形成；拉曼图谱分析表明，铟金属与锂磷硫氯接触会生成导致枝晶的硫化铟，而铟锡铋与锂磷硫氯的界面反应被显著抑制，第一性原理热力学计算也验证了这一结论；拉曼 mappings 显示循环后锂磷硫氯表面的 PS₄³⁻四面体结构分布均匀，表明其结构稳定性良好。

图 4 呈现了 60℃下铟锡铋负极的电化学性能，铟锡铋 || 钴酸锂电池在钴酸锂载量为 7.8 mg・cm⁻² 时，2.5C 至 50C 倍率下均展现出良好的可逆容量，20C 和 50C 下分别保持 66.7% 和 44.1% 的容量，远优于铟锡铋粉末物理混合物（Mix-InSnBi）负极。该电池仅需 20 MPa 堆叠压力即可达到最高容量，在 4C 倍率、工业级参数（N/P 比 1.5、面容量 6.49 mAh・cm⁻²）下循环 1300 次仍保持 87.5% 的容量 retention，平均库仑效率达 99.93%，且在 - 20℃至 60℃宽温范围内性能稳定。截面 SEM 和 EDS 图像显示，铟锡铋电极在锂化 / 脱锂过程中保持结构完整，无粉化或空隙形成，与锂磷硫氯始终保持紧密接触。

图 5 揭示了铟锡铋负极的快充机制，原位 XRD 分析显示，锂化初期铋先形成锂₃铋，随后铟从铟铋中脱离并与铟锡₄反应生成铟₃锡，进一步锂化后铟₃锡 / 铟锡₄转化为非晶态锂铟和锂锡，且整个锂化 / 脱锂过程具有良好的可逆性。密度泛函理论（DFT）计算表明，锂₃铋的锂离子扩散能垒最低，其三维离子通道网络构成理想的锂离子传导骨架；非晶态锂铟和锂锡无晶界特性，降低了锂离子扩散的活化能，且比晶态对应物具有更高的锂离子传导渗流能力。低温透射电子显微镜（cryo-TEM）图像证实了锂化后晶体锂₃铋嵌入非晶态锂铟 / 锂锡的异质结构，这种结构既保障了固 - 固紧密接触，又降低了晶界电阻。

图 6 展示了全电池的电化学性能，铟锡铋 || 钴酸锂全电池（高活性物质载量～21.0 mg・cm⁻²、薄固体电解质 41.5 μm、N/P 比 1.3）在 0.2C 下凝胶卷比能量达 278.4 Wh・kg⁻¹（919.5 Wh・L⁻¹），5C 和 6C 倍率下分别保持 73.6% 和 72.0% 的比能量，对应充电时间仅 9.5 分钟和 8 分钟，比功率最高可达 1545.3 W・kg⁻¹（5103.8 W・L⁻¹），优于现有先进全固态锂电池。尺寸为 3.5 cm×5.0 cm 的铟锡铋 || 钴酸锂软包电池，在 4.0C 倍率下循环 650 次仍保持 90.4% 的容量 retention，验证了其实际应用潜力。与现有固态电池、高能密度电池及快充电池相比，该全电池同时实现了短充电时间（<10 分钟）和高比能量（>200 Wh・kg⁻¹），性能优势显著。

总结与展望

该研究展示了一种理性设计的In₀.₃₈Sn₀.₃₃Bi₀.₂₉三元合金负极，通过构建兼具力学柔性、高离子/电子电导率和稳定界面的架构连续体，成功解决了全固态电池在高电流、厚电极条件下的核心瓶颈。该负极不仅实现了150 mA cm⁻²的超高临界电流密度和>5500次的对称电池长循环，更在与商业化正极匹配的全电池中，同步实现了高比能量（278.4 Wh kg⁻¹）、超快充电能力（9.5分钟充至73.6%能量）和超长循环寿命（1300圈保持率87.5%）。其简易的空气中低温制备工艺，为高性能、快充型全固态锂电池的产业化开发提供了一条极具前景的新路径。