《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Bulk-to-interface engineering of solid-state electrolytes toward fast-charging Li/Na-ion batteries
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固态电解质在锂钠离子电池快充中的应用及多尺度优化策略研究，重点分析离子传输动力学、界面失效机制及能量密度提升路径。
张丽蓉|张天云|王向雅|张天|王彦慈|范冉
兰州理工大学材料科学与工程学院，绿色能源与储能学院，中国兰州730050
摘要
从电动汽车的发明到其在智能电网、通信技术、生物植入物和可穿戴设备等领域的广泛应用，锂离子电池和钠离子电池的发展对快速充电技术提出了更高的要求。由于固态电解质具有出色的安全性和高能量密度，它们已成为实现快速充电的关键步骤，但相关技术仍需进一步突破。本文阐述了固态电解质作为锂离子电池和钠离子电池快速充电基础的优势。此外，还深入探讨了固态电解质体相中的离子导电性和离子传输，以及界面处的热力学、动力学和机械性能。讨论还包括相应的优化策略和评估系统。文章补充了关于枝晶形成和电池短路的不同观点，并首次区分了固态电解质界面处的静态和动态表面失效模式。最后，本文提出了一种综合工艺，旨在进一步提高锂离子电池和钠离子电池的能量密度，同时优化其快速充电能力。
引言
自1934年T. Davenport发明第一辆电池驱动的汽车以来，电动汽车逐渐受到人们的关注。然而，直到20世纪末，由于全球变暖、化石资源枯竭和环境污染等问题，可再生能源汽车的革命才得到实质性推动[1]。从那时起，电动汽车这种新兴的交通方式取得了蓬勃发展，并逐渐实现了商业化，尤其是在二次电池储能技术进步的推动下[2]、[3]。如今，随着技术的成熟和成本优势的显著提高，消费者对新能源汽车的偏好逐年增加[4]、[5]。例如，2025年4月，中国电动汽车的交付量增长了3.9%，达到90.5万辆，其中美国“特斯拉”和中国“吉利”是典型的代表。
实际上，二次电池技术的影响远不止限于交通领域。它还包括智能电网、通信技术以及更广泛的新技术，如生物植入物、人工智能技术、可穿戴电子设备和智能家居及城市[6]、[7]、[8]、[9]，如图1所示。这些不同领域对快速充电的需求具有高度相关性。例如，这些多样化应用普遍强调两个核心要求：快速能量补充和运行安全性。以电动汽车为例，快速充电技术对于缩短充电时间、确保电池稳定性至关重要，从而缓解续航焦虑并提高消费者接受度[10]。总体而言，二次电池的快速充电能力和安全性是这些技术领域发展的关键支撑，有助于推动尖端智能时代的持续进步。
快速充电是指在电流密度增加的情况下加速离子迁移，需要高效地将离子从电池的负极传输到正极。美国能源部明确定义了XFC（极端快速充电），目标是在10分钟内将电动汽车充电至80%的电量[11]。这一目标包括以下两个关键参数：i. 电池的充电速率需要超过6C，这意味着电池必须在1/6小时内充满；ii. 在这些条件下经过500次循环后，电池容量损失应小于20%。然而，现有的快速充电技术还不够成熟。即使是高性能锂电池的最大充电速率也只有3C，远未达到商业标准[12]。当充电速率超过3C时，电池极化的急剧增加会显著限制活性材料的有效利用，导致不可逆的容量衰减和局部热失控。这不仅会加速电池老化，还会引发安全风险，如热失控。因此，有必要进一步优化安全性能以满足快速充电的要求[13]、[14]。
锂离子电池（LIBs）因其卓越的动态性能、长循环寿命和轻量化特性而被广泛认为是优秀的储能设备。它们也是目前使用最广泛的储能系统。相比之下，钠离子电池（SIBs）拥有丰富的原材料和优异的低温性能。即使发生短路，SIBs较低的工作电压也能防止电流过大，从而降低电动汽车的安全风险。更重要的是，由于钠离子的溶剂化效应较低、扩散速率较高以及相应电极材料中的层间距较大，SIBs在实现快速充电方面更具潜力。2023年， Contemporary Amperex Technology Co. Limited与奇瑞汽车合作推出了第一代固态电池，强调这些SIBs的安全性能显著超过了国家标准。经过多年的发展，LIBs和SIBs已成为快速充电技术改革项目的基础。因此，利用LIBs和SIBs作为载体来实现高质量快速充电升级是一项非常实际且有意义的努力[15]。
实现LIBs和SIBs快速充电的主要障碍源于离子传输动力学和稳定性问题[16]。基于此，研究人员做出了许多努力以满足电极的快速充电要求。例如，设计了二维层状材料以加速离子嵌入[17]，使用具有高理论容量和氧化电位的金属替代石墨[18]，并提高了负极的导电性[19]、[20]。此外，电解质还负责负极和正极之间的离子传输，传输效率直接影响充电速度和稳定性。当大电流通过电解质时，电压损失或欧姆降是不可避免的。一旦欧姆降过大，电池可能在达到最大安全电压之前就达到截止电压，导致电池无法充满。这种现象在低温和高电阻条件下尤为明显[10]、[21]。因此，开发高效的电解质系统对于提高LIBs和SIBs的快速充电能力至关重要。虽然基于液态电解质的系统已经实现了快速充电的商业应用，但这些系统仍受到安全风险和性能衰减的制约。由于固态电解质具有出色的热稳定性、抑制枝晶生长的能力和高能量密度，它们被认为是突破LIBs和SIBs快速充电性能瓶颈的有希望的材料[22]。
在这种背景下，Francesco Ciucci领导的团队专注于固态LIBs快速充电相关的挑战和解决方案[23]。本文讨论了限制快速充电性能的四个主要障碍：固态电解质的低离子导电性、临界电流密度不足、电极动力学缓慢以及固体-固体界面接触不良。随后，详细阐述了三种关键策略：电解质优化、界面工程和电极创新，以解决固态LIBs快速充电的核心瓶颈。针对具有不同物理状态的固态电解质，研究人员具体分析了它们在室温下的性能限制和潜在机制，并批判性地评估了针对性的对策，如界面改性和复合电解质设计[24]、[25]。为了实现固态电池的超快速充电目标并缓解电动汽车的续航焦虑，这篇综述深入分析了快速充电条件下的多物理耦合机制，提出了从原子结构设计和微观界面工程到宏观电池架构的系统解决方案[26]。固态电解质的界面困境仍然是从实验室研究到商业化过渡的巨大障碍。最近的研究系统地提出了从原子到宏观层面的多尺度设计策略，阐明了结构、性能和界面设计之间的关系，为实际快速充电固态电池的实现铺平了道路[27]。
遗憾的是，现有的综述主要集中在单一电解质类型或材料的探索上，或者仅关注孤立性能指标的改进，而忽视了从固态电解质内部到表面的各种性能之间的协同效应。我们的综述总结了LIBs和SIBs中固态电解质的当前进展。它分析了固态电解质的工作机制，特别强调了它们在实现快速充电方面的优势。在此基础上，在体相层面，创新性地引入了“离子分布浓度”（类似于交通流量密度）的概念，将离子传输的均匀性与离子导电性置于同等重要地位。提出了相应的策略以实现均匀的离子分布浓度，解决了快速充电条件下局部离子耗尽和枝晶生长之间的根本矛盾。在界面层面，首次区分了静态接触缺陷和动态机械失效机制，并提出了一个热力学-动力学-机械应力耦合模型。更重要的是，本文还提出了全固态LIBs和SIBs（如纤维电池）的分子集成设计提案，实现了能量密度和快速充电性能的协同突破，这是以往综述中尚未充分探索的方向。最后，讨论了基于固态电解质的LIBs和SIBs在快速充电方面面临的科学挑战和潜在问题。
节选内容
固态电解质中的快速充电
传统的LIBs/SIBs使用液态电解质系统，其中多孔隔膜用于促进离子传导并防止短路[28]。如图2a所示，在充电过程中，Li+/Na+从正极晶格中释放出来并进入电解质。它们与电解质盐的阴离子和溶剂分子形成配位键，从而降低其反应性。随后，在负极界面，这些阳离子经历脱溶过程
固态电解质体相中的快速充电
作为离子迁移的“主干通道”，固态电解质的体相类似于高速公路车道，负责长距离的离子传输。为了实现快速充电，这条主干通道必须同时满足两个关键要求：高速度限制（即高离子导电性）和顺畅的交通流（均匀的离子分布浓度，以避免局部拥堵）。这对电解质本身的性能提出了严格的要求电极-电解质界面间的快速充电
继续用高速公路作类比，电极与固态电解质之间的界面类似于高速公路上的收费站。无论车辆在主车道上的行驶速度多快，总体行驶时间仍然受到通过这些收费站效率的严重影响。具体来说，大多数固态电池在实现快速充电方面面临挑战，如严重的极化、低容量和较差的循环性能用于快速充电的固态电解质体相和界面的集成设计
传统的固态电解质在厚度、强度和界面方面面临三重挑战。尽管固态锂离子电池和钠离子电池被认为是下一代高能量密度储能设备，但传统固态电解质的厚度通常为数十到数百微米。虽然这确保了机械强度，但显著增加了电池的体积和重量，从而降低了能量密度。结论与展望
快速充电电池广泛应用于各个领域，包括电动汽车、智能电网、通信技术、生物植入物和可穿戴电子设备。在这些应用中，由于固态电解质具有高安全性和高能量密度等优点，它们已成为实现锂离子电池和钠离子电池快速充电的关键途径。通过系统分析固态电解质的离子传输机制以及热力学特性，
CRediT作者贡献声明
张丽蓉：撰写——初稿，软件开发，概念构思。张天云：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，项目管理，资金获取，概念构思。王向雅：可视化，验证，软件开发。张天：验证。王彦慈：可视化。范冉：撰写——审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（52463030）、甘肃省青年人才项目基金（2025QNGR06）和兰州青年科技创新项目（2023-QN-101）的支持。
