科学研究

【科技自立自强】西安交大科研团队在非平衡制造拓展全固态电池材料的结构与性能边界领域取得新突破

日期：2026-01-24 15:26 浏览量：

在固态电池材料研究中，一个长期被忽视却至关重要的问题是：材料性能的上限，是否已被传统近平衡制造路径本身所“锁死”。氧化物固态电池材料（如石榴石型LLZO、NASICON型LAGP/LATP以及无序岩盐正极材料等）通常需要在900-1200 °C下烧结数小时甚至数十小时，其结构演化被热力学稳定态严格主导，晶粒粗化、缺陷重排和界面副反应几乎不可避免。这类依赖长时间高温处理的制造方式在保证相纯度与宏观致密化的同时，也系统性地抹平了亚稳结构、高熵构型及非均匀缺陷分布等潜在有益特征，从根本上压缩了固态电池材料可实现的结构多样性与性能维度。

围绕这一瓶颈，相关论文《高能量输入固态电池材料的非平衡制造机制》（Non-Equilibrium Manufacturing for High-Energy-Input Solid-State Battery Materials）发表于国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）。本文提出并系统阐释了一个核心科学思想：通过非平衡热输入实现热力学驱动与动力学过程的有效解耦。首先以固态电池关键材料的固相烧结过程为例，文章指出，在近平衡加热条件下，致密化所需的热力学驱动力不可避免地同步激活晶界迁移，导致致密化与晶粒粗化高度耦合。两步烧结可在一定程度上减缓晶粒长大，但仍受限于热力学主导的时间尺度。相比之下，非平衡烧结通过压缩热输入时间，快速冷却，在保留扩散驱动力完成致密化的同时动力学抑制晶界迁移，使微结构在晶粒粗化前被冻结，从而为稳定细晶结构的获得提供了新的路径。

图1 固相烧结过程中致密化与晶粒长大之间热-动力学耦合及其解耦策略示意图。

其次，文章以固相合成为例，揭示了非平衡条件下亚稳与高熵结构形成的基本物理机制。在高热输入作用下，多组分前驱体在短时间内实现高度混合，使体系优先进入高度无序的亚稳态；随后通过快速冷却，有效抑制扩散、相分离和长程有序化等慢动力学过程，使亚稳构型在跨越能垒之前被动力学俘获，从而保留高熵氧化物特有的无序结构。该过程并非改变热力学稳定性排序，而是通过时间尺度调控重构反应路径，凸显了非平衡固相合成在材料结构设计中的科学价值。

图2 固相合成过程中高熵氧化物形成的热-动力学机制示意图。

文章进一步从多尺度结构演化的视角，系统阐明了非平衡制造对固态电池材料结构与性能的深远影响。在原子尺度上，超快热历程打破了缺陷向热力学平衡态充分重排的条件，使氧空位、反位缺陷及局域有序得以在可控范围内被“冻结”，从而调节离子迁移通道与电荷补偿机制。在晶界尺度，非平衡条件抑制了晶界充分迁移与重构，促成致密、非晶或异质晶界的形成，有效削弱电子泄漏与锂枝晶的优先生长路径。进一步在晶粒尺度上，致密化与晶粒长大之间的动力学解耦使细晶或多级结构得以保留，从而同步提升材料的力学稳定性与电化学性能。最终，在界面尺度，快速热处理显著缩短高温暴露时间，抑制正极活性材料与固态电解质之间的元素互扩散，明显降低反应层厚度与界面阻抗。整体而言，该多尺度分析揭示了非平衡制造如何通过结构调控跨尺度地重塑固态电池材料的性能边界。

图3 非平衡热-动力学过程对全固态锂电池材料多尺度结构演化的影响（原子-晶粒尺度）。

最后，文章系统梳理了闪烧、火花等离子体加热、焦耳热及微波辅助加热等代表性非平衡制备技术在氧化物固态电池材料制备中的最新进展，重点指出高能束加热通过极端升温速率和高度局域的能量输入，为固态电池材料的热制备与微观结构调控提供了前所未有的自由度。综述进一步结合并结合能耗与生产效率等工程化约束，审视了不同非平衡路径在规模化、低成本制造中的适用性与发展潜力，为非平衡制造从实验室走向工程实践提供了重要借鉴。