研究背景

随着新能源汽车的快速发展，全固态快充锂电池被视为下一代电池技术的重要方向。相较于传统液态电池，全固态电池在安全性上更具优势，同时具备更高功率密度潜力，可显著缩短充电时间，缓解电动车的“充电焦虑”。但实现真正可用的全固态快充仍面临关键挑战。

快充要求电池在高电流密度下稳定工作，而实际应用所需的厚电极在高倍率条件下，容易因离子与电子传输受限、体积变化导致导电网络受损，使得全固态锂电池难以同时获得高能量密度、高功率和长循环寿命，也是其走向规模化应用亟需突破的核心瓶颈。

文章简介

近日，西安交通大学材料学院与中科院青岛能源所、崂山实验室等多机构联合团队在国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表题为《面向全固态快充锂电池的构型化连续体合金负极》（Architected continuum alloy negative electrode for fast charging all-solid-state lithium batteries）的研究论文。

该研究通过相演化调控与连续体结构协同的合金负极设计策略，提出并构建了一种新型In_0.38Sn_0.33Bi_0.29三元合金负极，在全固态快充条件下实现了离子与电子协同传输与结构稳定性的统一。基于工业级高负载构建的In_0.38Sn_0.33Bi_0.29||钴酸锂全电池，在4.0 C（15分钟充满）条件下循环1300次后容量保持率仍达87.5%，在5.0 C（12分钟充满）快充下实现了203.1 Wh kg⁻¹和 670.6 Wh L⁻¹的电池级比能量，并在大型软包电池中得到验证。该研究不仅为全固态快充锂电池提供了一种可规模化的高性能负极方案，也为其他固态电池负极材料的结构设计与机理优化提供了通用设计范式。

本工作的第一作者是山东师范大学教师刘涛，材料学院薛伟江教授、崂山实验室唐波院士、中科院青岛能源所董杉木和崔光磊研究员为共同通讯作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心和微纳中心工程师程晓华在微结构表征方面的支持。

本文要点

1.首次提出构型化连续体合金负极的概念。与以往采用单相合金或多相合金负极的研究工作不同，该研究精确控制了三种金属元素的比例，创造了一种结构化的连续体金属间化合物负极，协同结合了PSA和PMFA两者的优点。该合金具有：1）能够缓解机械应力的软相；2）形成双连续的高导电子–离子混合导体相；以及3）在高电流密度下抵抗锂枝晶形成的能力。为了满足这些多功能要求，优选由具有低共晶点的多种元素组成的合金。

图1 构型化连续体合金负极设计的概念。a, 传统负极结构—颗粒堆积结构（PSA）和平面金属箔结构（PMFA）及其优缺点。b, 结合PSA和PMFA的优点设计了结构化连续体合金，该合金具有双连续混合离子电子传导和软-软接触以缓冲机械应力并阻止基于裂纹的退化。c, 各种材料在25°C下的变形机制图。d, InSnBi负极锂化过程

2.该负极在锂合金化过程中分步形成多个具有柔性中间相，有效缓解体积变化引发的应力集中并抑制裂纹扩展，从而稳定维持离子–电子混合传导的渗透网络，保障了长期稳定循环。该In_0.38Sn_0.33Bi_0.29负极实现了高达724 mAh g⁻¹的比容量，并在5.0 mAh cm⁻²面容量下展现出高达150 mA cm⁻²的临界电流密度。

3.以Li₆PS₅Cl（LiPSCl）为固体电解质，InSnBi||钴酸锂电池在0.2 C倍率下展示了278.4 Wh kg⁻¹（919.5 Wh L⁻¹）的高能量密度，在5.0 C和6.0 C倍率下分别保持了其比能量的73.6%和72.0%。该全电池展现出高达1545.3 W kg⁻¹（5103.8 W L⁻¹）的比功率，可与超级电容器相媲美。全电池在4.0 C倍率下循环1300次后容量保持率为87.5%，其快充能力进一步通过大型软包电池得到验证。

图2 全电池的电化学性能。a, InSnBi||LiPSCl||钴酸锂横截面SEM图像。b, 全电池从0.2 C到6 C的充放电曲线。c, 全电池与已报道全固态锂离子电池的比功率比较。d, 软包电池在4.0 C倍率下的循环性能。e, 该研究电池性能与代表性文献的快充能力比较。

论文链接：

Architected continuum mixed ionic and electronic conducting alloy negative electrode for fast-charging all-solid-state lithium batteries. Nature Communications,

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67352-w

西安交通大学材料学院薛伟江教授简介：

薛伟江：西安交通大学教授、博导，长期从事锂/钠电池新型电解质分子设计与金属负极研究，以第一/通讯作者在Nature Energy（2篇）、Nature Communications（2025年）、Advanced Materials（4篇，2025年）、Angewandte Chemie（2025年）、Energy & Environmental Science（2篇）等国际著名期刊发表论文，连续入选斯坦福–爱思维尔全球前2%顶尖科学家。主持自然科学基金面上项目、多项重要企业合作研发项目，并作为合作单位负责人承担国家重点研发计划青年科学家项目。担任Nature、Nature Sustainability、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science等30多种化学、能源、材料领域著名期刊审稿人和仲裁审稿人。

薛伟江教授个人主页

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/xueweijiang