AM：如何通過介電調控提升固態鋰電性能？

固態鋰電池以其高安全性與能量密度成為儲能領域的焦點，然其發展受限于固態電解質較低的離子電導率及固-固界面處的嚴峻挑戰。在此背景下，對電解質材料介電特性的深入理解與精準調控正展現出其關鍵作用。本質上，介電性質通過調控鋰鹽解離的吉布斯自由能，直接決定了體系中自由載流子鋰離子的濃度；同時，高介電材料（如鐵電體）所誘發的內建電場更能有效引導離子遷移動力學、抑制空間電荷層形成，從而同步提升體相離子傳輸效率與界面穩定性。因此，將介電相位作為核心設計原則，為攻克固態電池中的離子輸運與界面難題提供了新穎而深刻的理論基礎與實踐路徑。

鑒于此，深圳清華大學研究院（清華深研院）劉思捷/香港科技大學Kristiaan Neyts教授團隊在《Advanced Materials》上發表了perspective文章闡述了關于介電調控固態鋰電性能，該觀點不僅將介電性能與固態鋰電聯系起來，并且提出調控介電性質和相結構的策略，為開發高性能固體電解質開辟了新途徑。

深圳清華大學研究院低碳能源與節能技術重點實驗室副主任、副研究員，香港科技大學訪問學者劉思捷為論文第一作者及通訊作者。香港科技大學周樂為論文共同第一作者。其他主要貢獻者為日本東京大學固體物理研究所李鴻宇、先進顯示與光電子技術國家重點實驗室主任，香港科技大學教授Kristiaan Neyts。研究得到深圳市提升工程實驗室項目、香港GRC等項目的資助。

論文信息：

Novel Insights into Solid-State Batteries through Phase Modulations：Dielectric phase and liquid crystal phase

Sijie Liu*, Le Zhou, Hongyu Li, Kristiaan Neyts

Advanced materials. 2025, e17122

論文鏈接：http://doi.org/10.1002/adma.202517122

近年來，新能源汽車和工業儲能技術的快速發展顯著提高了對儲能設備的要求，特別是在能量密度、安全性和循環穩定性方面。在新興技術中，全固態電池因其卓越的能量密度和增強的安全特性而受到廣泛關注。全固態電池的核心創新在于用固態電解質取代傳統的液態電解質，這極大地提高了電池安全性。此外，全固態電池通過使用高能量電極材料，如鋰金屬，提供了實現更高能量密度的潛力。這一進步允許在相同的體積和重量內存儲更多的能量，使得全固態電池對于高能量需求的應用特別有吸引力。全固態電池的另一個顯著優勢是其延長的循環壽命，確保了長期性能和可靠性。憑借這些多重優勢，全固態電池有潛力徹底改變能量存儲。

本文系統闡述了通過介電性能調控這一核心策略來提升全固態電池性能的新范式。研究證明，對材料介電相與液晶相的協同調控，能夠從離子輸運機制和界面穩定性的根本上解決固態電池的關鍵瓶頸。

介電調控的物理本質在于通過構建高介電環境來削弱鋰離子與陰離子間的庫侖相互作用。鐵電材料產生的強內置電場不僅顯著促進鋰鹽解離，增加自由載流子濃度，還能通過降低離子遷移活化能來提升離子電導率。特別值得關注的是，鐵電向列相材料將傳統鐵電體的高極性與液晶的自組裝特性相結合，其介電常數高達約10,000，為設計兼具高離子電導率和優異界面穩定性的固態電解質提供了理想平臺。

介電-液晶協同設計代表了固態電解質發展的前沿方向。液晶相提供的有序離子通道與鐵電相產生的強極化場形成完美互補：前者構建了高效的離子傳輸路徑，后者確保了充分的離子解離和定向傳輸驅動力。這種相態層次的協同作用，使得同時實現高離子電導率、良好機械性能和界面穩定性成為可能。

從產業化視角看，介電調控策略的成功實施仍面臨挑戰。鐵電液晶聚合物的規模化合成在成本控制和工藝可靠性方面需要突破，特別是在大面積基板上實現均勻分子排列的加工技術亟待開發。未來的研究重點應包括：設計新型高介電常數鐵電液晶聚合物；深入理解介電材料與電極界面的動態相互作用；開發適用于介電材料體系的可擴展制造工藝。

展望未來，介電調控策略將從傳統的單一組分設計轉向多相、多尺度的精準調控。通過構建具有梯度介電特性的復合電解質，或在電極/電解質界面設計具有特定介電響應的功能層，有望實現離子輸運、界面穩定性和機械強度的最優平衡。這一策略不僅為突破固態電池性能瓶頸提供了新路徑，也將推動固態電化學基礎理論的創新發展。

綜上所述，介電相工程作為連接材料本征特性與電池宏觀性能的關鍵橋梁，正成為推動下一代高性能固態鋰電池發展的核心驅動力。通過跨尺度的介電性能精準調控，有信心在不久的將來實現固態電池技術從實驗室走向產業化的重大突破。

（來源：網絡 版權屬原作者 謹致謝意）