【研究背景】

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，已成为推动固态电池走向实用化的关键所在。

【文章简介】

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员、马君研究员与韩鹏献正高级工程师合作，在国际化学领域顶尖期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Multi-level structural modulation enables fast lithium-ion transport in inorganic solid-state batteries“的综述文章。该工作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具有广泛适用性的设计原则。该论文的第一作者为青岛能源所博士研究生黄天鹏。

图1 无机固态锂金属电池中多层级电荷传输示意图

【内容表述】

1. 复合正极的结构调控

成分工程：通过精确调控活性材料、固体电解质、导电剂与粘结剂四者之间的组分与比例，旨在构建连续且高效的离子与电子渗透网络。理想的成分设计是在保证足够电荷传输路径的前提下，最大化活性物质含量，或发展兼具离子、电子电导性的全电化学活性电极材料。

图2 通过优化正极活性物质/固体电解质比例构筑高效电荷传输网络

图3 兼具高离子和电子导电性的全电化学活性正极材料

尺寸工程：调控活性材料和固体电解质的颗粒尺寸及其比例，是优化电极微观结构、缩短电荷传输路径的关键手段。关键在于协同优化活性材料和固体电解质的尺寸比例，并结合电极负载与性能目标进行系统设计。

图4 尺寸工程构筑高效电荷传输网络

梯度设计：针对厚电极中因锂离子浓度梯度导致的反应不均匀性问题，梯度设计通过沿电极厚度方向精心调控微观结构的空间分布，以主动匹配动态变化的锂离子通量，从而协同实现高负载下的高容量与高利用率，但其结构设计与制备工艺远比均质电极复杂。

图5 厚电极中的锂离子浓度梯度问题以及梯度设计策略

2. 固体电解质的结构调控

无机固体电解质：提升其离子电导率需从微观到介/宏观结构进行多层级协同优化。在微观尺度，可通过掺杂、引入缺陷或构建高熵结构来调节锂离子迁移路径和能垒。在介/宏观尺度，可通过优化制备工艺提升致密度，减少孔隙、裂纹、二次相的形成，以降低离子传输阻力。另外，还需要关注循环过程中由于结构变化引起其离子导电性的动态变化。

图6 影响无机固体电解质锂离子导电性的多尺度因素

复合固体电解质：有机-无机复合固体电解质不仅能优势互补，还能产生具有高离子导电率的界面相，为锂离子迁移开辟快速通道。通过将无机填料从零维颗粒逐步升级到一维纳米线（纤维），乃至三维骨架，复合电解质的离子电导率可实现跨数量级的跃升。

图7 不同无机填料组成的复合固体电解质及其锂离子传输路径示意图

3. 电池结构的优化与设计

电解质减薄：将固体电解质层从传统厚膜（>500 µm）减薄至数十微米以内，是降低离子传输阻力、提升电池能量密度与倍率性能的关键路径。然而，薄层化过程需在高离子导率、优良机械强度与大规模制备可行性之间取得平衡。

电池结构优化：针对传统“三明治“堆叠结构中存在的界面接触不良、副反应及空间电荷层等问题，可以通过构建缓冲层、电解质渗透以及多层电解质结构设计来改善界面锂离子传输。然而，这些方法通常面临新异质界面引入、工艺不成熟、离子传输通道不连续等挑战。

图8 通过构建缓冲层实现界面处快离子传输

电极/电解质三维集成：通过构建三维互连、垂直排列或隧道化的电极骨架并与电解质一体化集成，能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。该结构被视为实现高面容量、快充型固态电池的理想方案，但其制备工艺复杂且电解质的填充行为难以精确控制，目前仍是制约其规模化应用的关键难题。

图9 电极/电解质三维一体化集成策略

【总结与展望】

本文系统阐述了多层级结构调控在解决固态电池电荷传输瓶颈中的关键作用并指出了未来结构调控的四大方向：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与传输特性以及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，实现从定性分析转向定量分析的转变。

【文献详情】

Tianpeng Huang, Yue Zheng, Deye Sun, Jun Ma*, Pengxian Han*, and Guanglei Cui*, Multi-level structural modulation enables fast lithium-ion transport in inorganic solid-state batteries, Chem. Soc. Rev., 2025, Advance Article.

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CS/D5CS00895F

文章来源：能源学人

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