【仪表网 研发快讯】固态锂金属电池因其高能量密度和优异安全性，被视为下一代储能技术的理想选择。然而，固态组分内部以及跨组分的缓慢电荷转移动力学，严重制约了其实际能量密度、倍率性能以及循环寿命。因此，揭示“结构-电荷传输-性能“之间的内在联系，并通过结构调控改善异质固态体系的电荷传输动力学，成为推动固态电池走向实用化的关键。
近期，青岛能源所固态能源系统技术中心系统梳理了固态锂电池中电极、电解质和电池三个层级结构调控的研究进展，深入剖析了各层级结构调控的关键影响因素及调控原理，并对各类结构优化策略在提升离子传输方面的增益效果与局限性进行了全面评估与对比。最后展望了未来实现快速电荷传输动力学的多层级结构调控路径，为发展下一代高性能无机固态锂金属电池提供了广泛适用的设计原则。
图1 实用化电池中通过多层级结构调控实现快离子传输示意图
对于复合正极，可通过成分工程精确调控活性材料、固体电解质、导电剂与粘结剂的比例，构建连续且高效的离子/电子传输网络，在保障传输效率的同时，最大化活性物质质量；通过尺寸工程优化活性材料和固体电解质的颗粒尺寸及其比例，可以缩短电荷传输路径；而梯度设计则能在厚电极中主动匹配锂离子通量分布，协同提升活性材料的负载量与利用率。
在固体电解质方面，结构调控策略涵盖无机固体电解质和复合固体电解质两大体系。无机固体电解质需从微观掺杂、缺陷调控到宏观致密化工艺的多尺度协同优化，保证快速的锂离子迁移。复合固体电解质则通过有机-无机材料的优势互补，并结合从零维颗粒到三维骨架的填料结构设计，实现离子电导率的显著跃升。
电池整体结构的优化和设计同样至关重要。电解质层的减薄可大幅降低离子传输阻力，是实现电池高能量密度和高倍率的关键路径；通过引入缓冲层、电解质渗透以及多层电解质设计能有效改善界面锂离子传输；电极/电解质的三维一体化集成，可大幅增加界面接触面积、缩短离子迁移路径，从而实现电荷传输与电化学反应的高效协同。
展望未来，结构调控将朝四大方向演进：1.结合机器学习与多物理场建模，从单因素分析转向多尺度结构协同设计；2.系统揭示电极结构关键参数及传输特性与电池性能指标之间的定量关系，建立高负载电极的定量化设计准则；3.创新实用化固体电解质的研究范式，结合高通量计算解决超薄电解质膜的材料体系开发、溶剂选择、浆料流变学调控等问题；4.建立电极与固体电解质界面兼容性的量化评价体系，实现从定性分析向定量分析的转变。
该综述以“Multi-level structural modulation enables fast lithium-ion transport in inorganic solid-state batteries”为题，近日发表于行业顶尖杂志Chemical Society Reviews。由固态能源系统技术中心崔光磊研究员、马君研究员、韩鹏献正高级工程师共同指导完成，博士研究生黄天鹏为论文第一作者。此项工作得到国家重点研发计划等项目的支持。(文/图 黄天鹏、马君)
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