电池电极材料需要具备多种性能。它们需要具备良好的导电性，以便离子在电极之间穿梭时进行电荷的传输。它们还需要具有开放的结构，允许离子在到达存储位置之前自由移动。大量离子的存储也会导致材料膨胀，产生机械应力，从而导致电极材料的结构逐渐衰减。

图片来源：期刊《Nature》

由于单一材料难以兼具所有这些特性，许多电极采用复合材料，其中一种化学物质用于离子进出电极，另一种用于存储离子，可能还有第三种化学物质提供高导电性。然而，这可能会带来新的问题，材料界面的击穿会逐渐降低电池的容量。

据外媒报道，一个国际联合研究小组提出了一种似乎可以做到这一切的材料。它具有合理的导电性，可以让锂离子四处移动并找到存储位置，而且它由廉价且常见的元素制成。或许最重要的是，它具有自我修复功能，可以在充放电循环中平滑损坏。

高容量

该研究团队主要在中国开展，旨在降低阴极的复杂性。研究人员写道：“传统的复合阴极设计通常包含阴极活性材料、阴极电解液和导电添加剂，但这些材料往往因含有大量的非电化学活性成分而受到限制。”他们认为，解决方案是创造一种一体化材料，从而去除大部分非电化学活性成分。

许多论文报告了使用含氯化学物质的成功案例，这种化学物质允许离子轻松穿过材料，但导电性不佳。因此，研究人员尝试在其中一种材料中预加载锂。他们重点研究了氯化铁，因为它是一种非常廉价的材料。

研究人员最终确定了一种名为Li1.3Fe1.2Cl4的材料。模拟结果表明，这种材料能够将铁和氯化物置于两个四面金字塔的中心结构中，这些金字塔的底部彼此相对（玩家会将其识别为d8）。每个金字塔结构的每个角上都有数量不等的锂原子，分子模拟表明锂离子可以轻松地在这些位置之间移动，从而使材料能够快速地移动离子。这些位置也为离子在储存时提供了位置。

制备过程包括混合氯化锂和两种不同配方的氯化铁。将它们粉碎，并通过一堆实心球的快速旋转进行混合，然后将粉碎的混合物在200°C下加热过夜。最终得到了一种可用于电池的材料。

在测试装置中使用时，该材料的能量密度与磷酸铁正极相似，而磷酸铁正极更注重耐用性而非能量密度。不同寻常的是，它在高倍率充电时实际上能保持更高的容量（大多数材料在低倍率充电时表现更佳）。而且它非常耐用，在15分钟内充满电池的充放电速率下，经过3000次循环后仍能保持超过90%的容量。（同样，低倍率充电时容量衰减更快。）

这种材料的导电性并不好，但研究人员发现，可以通过混合一些导电碳（约占重量的2%）来提高导电性。此外，他们还表明，它可以铺在高容量正极材料上，充当固态电解质，既允许离子流过，又能在正极材料容量饱和时储存离子。

快速修复

这种材料耐久性的秘诀似乎在于它在充电周期中会经历相变。随着越来越多的锂脱离结构，铁相对于氯的位置会发生变化，从而在整个循环过程中形成三个不同的相。总体而言，在充电过程中，由于离子的填充，材料会膨胀约8%。

熔点也会发生变化；再加上充放电产生的热量，这可能导致材料性质发生关键变化：材料会从脆性转变为延性，这意味着它更容易变形。这种延性使材料具有自修复能力。研究人员写道：“原始Li1.3Fe1.2Cl4电极中存在的裂纹和空隙在充电后会完全修复。”这种自修复能力几乎肯定是这种正极材料能够在相当于10年的日常充电后保持90%容量的主要因素。

除了自修复功能外，这种材料还有很多优点。它充电速度快，容量适中，而且原材料廉价且丰富。最大的缺点可能是论文中描述的制造工艺，因为实验室中使用的粉碎工艺很难规模化。研究人员对如何改进已经有了想法，但目前尚不清楚这种材料在电池制造中的应用有多容易。