霍克锂电池固态电解质的体相-界面协同工程助力快充型锂/钠离子电池发展
自T. Davenport于1934年发明首辆蓄电池汽车以来，电动汽车逐渐进入公众视野。然而该技术并未获得足够重视。直至20世纪末，全球变暖、化石资源枯竭及环境污染等问题才实质性推动了可再生新能源车辆的变革[1]。此后，电动汽车这一新兴交通模式实现了蓬勃发展，并逐步走向商业化，其中二次电池在储能技术领域的突破尤为关键[2][3]。当前，由于技术成熟度提升和显著的成本优势，消费者对新能源汽车的偏好正逐年递增[4][5]。例如2025年4月，中国电动汽车交付量激增3.9%，达到90.5万辆，其中美国"Tesla"与中国"Geely"即为典型代表。
事实上，二次电池技术的影响远不仅限于交通运输领域。其应用范围涵盖智能电网、通信技术以及更广泛的新兴技术领域，例如生物植入物、AI技术、可穿戴电子设备、智能家居与智慧城市[6][7][8][9]，如图1所示。值得注意的是，这些不同领域在快速充电需求方面均表现出高度相关性。具体而言，这些多元化应用普遍强调两大核心要求：快速能量补充与运行安全性。一个典型案例是电动汽车领域，其快速充电技术对缩短充电时长、确保电池稳定性具有关键作用，从而缓解里程焦虑并提升消费者接受度[10]。总体而言，二次电池的快速充电能力与安全性是推动这些技术领域发展的核心支撑，也将助力前沿智能时代的持续进步。
快速充电是指随着电流密度的增加而加速离子迁移，要求离子在电池内部从阳极高效传输至阴极。以电动汽车行业为例，美国能源部已明确定义XFC（极端快速充电）技术，其目标是在10分钟内为电动汽车充入80%电量[11]。该目标包含以下两个关键参数：其一，电池的充电倍率需达到6C以上，这意味着电池必须在1/6小时内完成完全充电；其二，在此条件下循环500次后，电池容量衰减应低于20%。然而现有快充技术尚未充分成熟，即使高性能锂电池的最大充电倍率也仅为3C，远未达到商业化标准[12]。当充电倍率超过3C时，电池极化现象急剧加剧会显著限制活性物质的有效利用，导致不可逆容量衰减与局部热失控，不仅加速电池老化，还会引发热失控等安全隐患。因此，必须进一步优化安全性能以满足快充需求[13][14]。
锂离子电池（LIBs）因其卓越的动态性能、长循环寿命及轻量化特性，被公认为优异的储能装置，同时也是当前应用最广泛的储能系统。而钠离子电池（SIBs）则具有原料资源丰富与低温性能突出的特点。即使发生短路，其工作电压低于LIBs的特性可抑制过大电流的产生，从而降低电动汽车的安全风险。更重要的是，钠离子电池（SIBs）因其较低的钠离子溶剂化效应、更高的扩散速率以及对应电极材料更大的层间距，在实现快速充电方面更具潜力。2023年，宁德时代与奇瑞汽车合作推出了第一代固态电池，并强调这些SIBs的安全性能远超国家标准。经过多年发展，锂离子电池（LIBs）和SIBs已成为快充技术改革项目的基石。因此，以LIBs和SIBs为载体实现高质量快充升级，是一项极具实践价值与意义的工作[15]。
锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）实现快速充电的主要障碍源于缓慢的离子传输动力学和稳定性问题[16]。基于此，研究人员为满足电极的快速充电要求做出了大量努力。例如：设计二维层状材料以加速离子嵌入[17]；采用具有高理论容量和氧化电势的金属替代石墨[18]；以及改善阳极导电性[19][20]。此外，电解质还负责阳极与阴极之间的离子传输，其传输效率直接影响充电速度与稳定性。当大电流通过电解质时，电压损失或欧姆压降不可避免。一旦欧姆压降过大，电池可能在达到最大安全电压前就触及截止电压，导致电池无法完全充电。这种现象在低温与高阻抗条件下尤为显著[10][21]。因此，开发高效的电解质体系对于提升锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的快速充电能力至关重要。虽然液态电解质体系已在商业化应用中展现出快速充电性能，但这些体系仍受限于安全风险和性能衰减问题。凭借优异的热稳定性、抑制枝晶生长的能力以及高能量密度，固态电解质被视为突破LIBs和SIBs快速充电性能瓶颈的候选材料[22]。
在此背景下，Francesco Ciucci领导的团队聚焦于固态锂离子电池快充领域的挑战与解决方案[23]。本综述探讨了制约快充性能的四大障碍：固态电解质的低离子电导率、临界电流密度不足、电极动力学迟滞以及固-固界面接触不良。进而详细阐述了三大关键策略：电解质优化、界面工程和电极创新，以解决固态锂离子电池快充的核心瓶颈问题。针对不同物理状态的固态电解质，研究者系统分析了其在室温下的性能局限与作用机理，同时批判性评述了界面修饰、复合电解质设计等针对性对策[24][25]。为实现固态电池超快充电的核心目标并缓解电动汽车的里程焦虑，一篇综述性研究深入分析了快充条件下的多物理场耦合机制，提出从原子结构设计、微观界面工程到宏观电池构型的系统性解决方案[26]。然而，固态电解质面临的界面困境仍是其从实验室研究迈向商业化进程中的重大障碍。近期研究系统性地提出了从原子尺度到宏观尺度的多级设计策略，阐明了结构、性能与界面设计之间的关联规律，从而为实用化快充固态电池的实现指明了路径[27]。
遗憾的是，现有综述主要集中于单一电解质类型或材料的探索，或孤立性能指标的提升，而忽视了从体相到表面的固态电解质多种特性之间的协同效应。本综述总结了锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）中固态电解质的研究进展，重点分析了固态电解质的工作机制，特别强调了其在实现快速充电方面的优势。在此基础上，本研究在体相层面创新性地引入"离子分布浓度"概念（类似于交通流密度），将离子传输均匀性与离子电导率置于同等重要地位。针对快充条件下局部离子耗竭与枝晶生长的根本矛盾，提出了实现离子分布浓度均匀化的相应策略。在界面层面，本研究首次区分了静态接触缺陷与动态机械失效机制，并提出热力学-动力学-机械应力耦合模型。尤为值得注意的是，本综述还补充了全固态锂离子电池（LIBs）与钠离子电池（SIBs）（如纤维电池）分子集成设计的方案，实现了能量密度与快充性能的协同突破——这一方向在既往综述中尚未得到充分探索。最后，本文探讨了基于固态电解质的锂离子电池与钠离子电池在快充领域面临的科学挑战与潜在问题。
