清华大学化工系张强团队在固态电池电解质氧化还原化学领域取得进展

全固态电池因采用不可燃固态电解质替代有机电解液，被认为是兼具高能量密度与高安全性的下一代电池技术。然而，固态电解质在传统设计中仅作为离子传导介质，无法参与电荷存储，其在复合电极中的占比可达50%以上，严重制约了电池能量密度的进一步提升。

针对这一瓶颈，清华大学化工系张强教授团队系统梳理了卤化物材料（Li–M–X，M为金属元素，X为卤素）的组成、结构与氧化还原化学发展历程，绘制了卤化物组成元素的氧化还原特性全景图。研究发现，相当比例的卤化物材料具有本征可逆氧化还原活性。在此基础上，团队提出了电压窗口匹配的核心设计准则：将卤化物的可逆氧化还原电压窗口与高容量电极的工作电压进行战略性匹配，使卤化物在传导锂离子的同时贡献额外容量。

作为概念验证，研究选取了具有高离子电导率（>10 mS/cm）的氧卤化物LiNbOCl4与高镍正极NCM90进行匹配，实现了高达768.6 Wh/kg的复合正极能量密度，充分验证了该设计准则的有效性。此外，团队首次系统比较了Cl、Br、I三种卤素阴离子的氧化还原可逆性规律，发现其可逆性顺序为I > Br > Cl，与氧化产物的物理状态（固态I2、液态Br2、气态Cl2）密切相关。研究还指出，卤素阴离子氧化还原可在特定场景中发挥辅助作用，例如作为氧化还原介体介导转化型正极反应。

基于上述成果，团队展望了下一代全固态电池的发展方向。通过将复合电极中的部分固态电解质替换为氧化还原活性卤化物，有望在避免界面退化的同时贡献额外容量，使全固态电池能量密度迈向600 Wh/kg，满足航空航天等前沿领域的应用需求。该团队提出了AI辅助材料发现、原位多尺度机理表征、可逆性与循环寿命提升、新型电池体系探索未来四大重点攻关方向。

基于氧化还原活性卤化物材料的全固态电池设计。（A）传统全固态电池的示意图。(B) 基于氧化还原活性卤化物材料的下一代全固态电池示意图

相关成果以“卤化物材料的氧化还原化学解锁下一代全固态电池”（Redox chemistry of halide materials unlocking next-generation all-solid-state batteries）为题，于8月24日发表于《焦耳》（Joule）。

清华大学化工系2025级博士生李锦梁和博士后黄中垣为论文共同第一作者，清华大学化工系教授张强、副研究员赵辰孜为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金等的支持。