IF：51.7！李泓/李宝华/黄学杰/王启迪合作，发表Nature系列综述：电池材料设计新前沿！

米测MeLab

2026-04-23

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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

背景介绍

可充电电池是现代储能系统的基石，目前电池材料的研究长期遵循结构和组分均匀的“同质性”范式，以追求性能的可预测性。然而，随着对能量密度和循环寿命要求的不断提升，同质材料在极端运行工况下暴露出的晶格应力集中、结构塌陷及化学机械不稳定性等固有缺陷，已成为制约其进一步发展的瓶颈。借鉴自然界的复杂性，将化学异质性从单纯的“缺陷”转变为一种可设计的性能增强特性，正成为突破电池技术限制的新前沿。

综述概述

有鉴于此，南方科技大学王启迪、中科院物理所黄学杰、李泓及清华大学深圳国际研究生院李宝华等人在本综述中探讨了化学异质性在可充电电池材料中的重要性。讨论了原子尺度、纳米域直至颗粒内相分离水平的异质性如何能够增强电池材料的电化学特性，使其超越同质对应物。通过引入化学异质性的原理和机制，可以开发出具有改进结构稳定性、离子电导率、氧化还原活性和相变特征的材料，从而推动电池技术的进步。最后，概述了开发未来电池材料的挑战和策略。

具体内容

材料的化学不均匀性

传统材料科学常将异质性视为导致性能恶化的“缺陷”，但在应对现代工程中多重冲突的性能需求时，同质材料的局限性已愈发凸显。化学异质性是指组分或结构在空间上的实质性波动，其跨度从埃级的原子涨落到微米级的相分离。借鉴矿物学中多矿物共生的复杂逻辑，异质材料能通过整合多种功能相，实现单一相无法达到的综合性能，如在高强度金属中通过双相设计兼顾强度与延展性。在电池研究中，这种不均匀性不再是不可接受的imperfections（瑕疵），而是一种强大的设计模型。通过在单个颗粒内部实施空间局部控制，研究者可以精细调控离子传输路径、相变动力学及应变演化过程，从而在微观层面解决宏观性能的互斥问题。

图  化学不均匀性的种类及其对电池材料的影响

化学不均匀性及其对电池材料的影响

化学异质性对电池的离子传输、氧化还原可逆性及结构稳定性具有决定性影响。在原子尺度上，通过引入化学短程无序调控局部配位环境，可以在LiCoO₂正极中抑制有害的Li/空位有序化及层间滑动，显著提升循环稳定性。在电解质中，异质的原子排布能创造出类似液体的受挫能量景观，从而助力超离子输运。然而，异质性也伴随着挑战：不受控的组分不均匀会引发严重的去极化和局部过充电，导致微裂纹产生和界面衰退。例如，Ni基正极中过度的阳离子混排会造成强烈的静电排斥并加速相变退化。因此，精密调控异质性的长度尺度和空间分布，是释放其性能红利并规避电化学负面效应的核心前提。

图  原子尺度上的化学不均匀性

纳米畴的化学异质性

当异质性扩展至纳米尺度时，颗粒内部的纳米畴和局部梯度将显著改变材料的热力学与动力学特性。在无序岩盐正极中，通过两步法原位嵌入3–7 nm的类尖晶石纳米畴，可以在不改变颗粒微观尺寸的情况下，赋予微米级大颗粒极高的容量和快充表现。这种纳米尺度的异质性还能增强氧氧化还原的稳定性，通过在有序基体中引入单层无序畴，能有效切断氧原子的长程渗透，抑制氧气释放。在聚合物电解质中，通过构建离子富集的纳米畴均匀嵌入机械基质中，可以实现离子电导率与机械强度的解耦，彻底解决了传统“盐在聚合物中”体系因高盐含量导致的机械性能崩塌难题。这种纳米工程策略为开发高容量、高稳健性的电池材料提供了精准的微观架构支撑。

图  纳米畴的化学异质性

相分离时的化学不均匀性

微米级的相分离涉及在单个颗粒内整合截然不同的相或结构图案，这种较大尺度的复杂度为增强电池的机械韧性和离子通量提供了平台。在尖晶石氧化物中，通过调控阳离子无序度建立的部分有序相设计，能同时获取高能量密度与卓越的功率密度。针对富镍层状正极在脱锂时的剧烈各向异性收缩，引入相容的钙钛矿相作为“结构柳钉”，通过形成高度匹配的共格界面，能有效锚定晶格并抑制微裂纹萌生，实现近乎零应变的循环表现。在固体电解质领域，通过成核受控策略诱导产生的纳米异质畴富含晶界，这些界面可充当超快离子传输通道，将室温电导率提升至极高水平。这些基于相界工程的设计理念，证明了多尺度异质架构在解决电池失效难题方面的普适性。

图  相分离处的化学不均匀性

动力学诱导的化学异质性

除了合成预设的异质性，电化学循环本身也能作为一种“动态合成”工具，原位生成热力学平衡态难以企及的非平衡亚稳态结构。在钠离子电池负极Li₄Ti₅O₁₂中，钠的嵌入会诱发颗粒内部产生局部异质重组，形成独特的三相共存区域，这意外地开辟了额外的扩散通道并大幅加速了钠离子迁移。类似地，循环过程能促使无序岩盐正极向类尖晶石相发生局域转变，这种原位生成的异质性通过强化锰氧化还原活性提升了能量密度。此外，通过精确控制充放电深度诱导材料产生亚稳态纳米晶，能显著降低扩散势垒并增强循环可逆性。这种视角将电化学过电位视为调控结构演化的有效杠杆，为在服役过程中持续提升材料潜力提供了新思路。

图  动力学诱导的化学异质性

总结与展望

尽管前景广阔，但化学异质性的精准实现仍面临设计、合成与表征的三重挑战。未来需建立基于离子势、电荷密度及局部配位的多维设计框架，并结合高通量筛选实现描述符驱动的预测设计。在合成上，需融合热力学与动力学准则，利用电化学过电位等手段精准调控亚稳态相的成核。表征方面，亟需开发具有原子级分辨率的实时、原位多尺度分析平台，并辅以人工智能解析复杂的非平衡演化。最终，需将异质性从经验性的观察转变为可预测的设计准则，不仅聚焦单颗粒内部，更应扩展至颗粒间及整个电极尺度，从而全方位革新下一代电池的循环寿命、安全性和能量密度。

本综述深刻揭示了化学异质性在突破同质电池材料性能局限方面的变革性潜力。通过精确操纵从原子级无序到微米级相分离的多级结构，研究者得以在调控离子传输、抑制结构相变及增强机械稳定性方面取得多重突破。未来的进步将依赖于多尺度表征、物理建模与预测设计的深度融合，使异质性成为开发长寿命、高安全及超高能量密度储能系统的核心设计支柱。

参考文献：

Zhao, C., Zhang, X., Jin, Z. et al. Chemical heterogeneity for battery materials. Nat Rev Chem (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41570-026-00821-y