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文 章 信 息
揭示基于转化反应的高能金属电池用高熵材料的潜力：合成、结构、性能及更多方面
第一作者：连名语，公维浩，郭少飞
通讯作者：叶正青*、江颖*
单位：河北工业大学， 天津理工大学
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研 究 背 景
高熵（HE）材料在基于转化反应的可充电金属电池领域的应用引起了广泛关注。高熵材料的特点是多种金属元素形成单相固溶体，其中五种或五种以上的主要金属元素占据等原子位置，从而在固相中实现高稳定性。高熵材料旨在制备出具有无限潜在性能的材料，通过调整元素的结构和组合，可以呈现出各种理想的特性。复杂的晶格结构会引发显著的晶格畸变，导致大量位错和缺陷的形成。同时，组合元素的均匀分布有助于提高构型熵（Sconfig），进而产生高熵效应。此外，高熵材料的性能是通过各种组成元素的协同作用实现的，其性能超越了传统合金材料和单元素材料。高熵材料的这些特性有利于提供丰富的锂离子扩散传输通道、大量的活性位点以及出色的离子导电性。尽管高熵材料在基于转化反应的可充电金属电池应用中表现出色，但无论是在模拟研究还是实验研究方面，都仍缺乏对高熵材料在基于转化反应的可充电金属电池中的现状和内在挑战进行系统阐释的深入理解。随着高熵材料的组分和结构变得更加复杂，如何设计和制备高熵材料以满足高性能转化型电极的需求颇具挑战性，而且相关的理论基础也较为匮乏。
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文 章 简 介
近日，来自河北工业大学的叶正青副教授与天津理工大学的江颖博士合作，共同指导学生，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Unveiling the potential of high-entropy materials toward high-energy metal batteries based on conversion reactions: synthesis, structure, properties, and beyond ”的综述文章。该文章全面概述了高熵材料在转化型金属电池领域的结构特点、固有性质、常用合成方法、表征技术、计算建模以及多样化应用。此外，还阐述了高熵转化型电池材料尚存的挑战和未来前景。
图1. “高熵”和“电池”关键词的网络可视化图谱、发文趋势、高熵材料在基于转化反应的可充电金属电池中的发展路线图。
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本 文 要 点
要点一：HE材料的晶体结构
高熵合金由五种或五种以上的金属元素组成，各元素的原子百分比在5%至35%之间。从成分上看，高熵材料具有单相固溶体结构，其中金属阳离子活性位点由五种或五种以上近乎等摩尔比的金属元素构成。高熵材料的出现为调整材料性能提供了更多机会，并打破了设计规则的束缚。要全面了解高熵材料的多样性，需要根据多金属原子的空间构型，对其结构特征进行对比评估和系统分类。例如，已经获得了不同晶体结构的高熵合金，包括六方密堆积（hcp）、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）和C14型六方密堆积结构。
图2. 高熵材料的各种晶体结构。
要点二：HE材料的核心效应
多种元素之间复杂的相互作用赋予了高熵材料独特的特性，使其有别于传统的功能材料。这些特性可归纳为四种核心效应，即高熵效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应和慢扩散效应。随着原子组成数量的增加，高熵材料中的结构混合熵逐渐增大。混合熵的增加可以提高结构稳定性并促进相容性，有利于形成固溶体而非金属间化合物，从而增强热力学稳定性。电池中的高熵效应可凭借混合熵的增加来提高电极的循环稳定性。此外，高熵材料中多元素的无序排列会打破主导且协调的原子环境的形成，丰富局部环境状态，从而在体积变化和电化学相互作用方面表现出卓越性能。另外，混合构型熵的增加显著降低了高熵材料中各种元素的反应动能垒，使得人们能够对晶体结构和电子构型进行优化与调控，从而探索将高熵基材料用作有前景的电催化剂。引入其他过渡金属以通过高熵效应提高混合熵和热力学稳定性，同时调整活性位点的电子构型。
图3 高熵效应示意图。
要点三：HE材料的合成方法
高熵材料具有可调节的物理和化学性质，涉及价电子结构、原子尺寸、晶体结构以及形成熵和形成焓等方面。通常，制备不同尺寸和形貌的高熵材料更多地依赖于不同的合成方法。然而，由于在制备过程中不可避免地会出现团聚和扩散现象，调控高熵材料的形状、成分、相结构、形貌和尺寸是一项复杂且具有挑战性的任务。因此，全面深入地了解制备方法对于设计和开发用于基于转化反应的可充电金属电池的高性能高熵材料至关重要。在本节中，已开发的高熵材料制备方法主要分为湿化学法、脱合金法、热主导法（包括热解、固态反应和碳热冲击法）、机械化学法和激光法。
图4 HE材料的合成方法。
要点四：HE材料的机遇与挑战
基于转化反应的可充电金属电池具有理论放电容量和能量密度方面的优势，能够满足电网规模储能日益增长的需求。具有卓越电化学性能的先进二次电池在很大程度上依赖于正负极材料的选择。大多数研究报告表明，在探索和设计有前景的电极材料时引入高熵概念可显著提升电池性能。高熵材料在基于硫、氧和二氧化碳的转化型正极中表现出卓越的电催化特性，极大地改善了氧化还原反应动力学。此外，具有晶格畸变和鸡尾酒效应的高熵材料能够有效调控无枝晶金属负极的形核和均匀生长。然而，高熵材料在基于转化反应的可充电金属电池中的应用仍处于早期阶段。不同元素的引入使材料变得更加复杂，深入理解其潜在机制成为一项具有挑战性的任务。此外，目前缺乏能够详细阐释高熵材料作用机制的有效系统理论。人工智能方法、简便环保的制备方法以及先进的表征技术值得进一步研究。
图5 基于转化型电池的高熵材料的发展与展望。
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文 章 链 接
Unveiling the potential of high-entropy materials toward high-energy metal batteries based on conversion reactions: synthesis, structure, properties, and beyond
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104054
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通 讯 作 者 简 介
江颖，天津理工大学，讲师。主要从事碱金属离子电池关键材料的开发和机理研究。2023年8月加入天津理工大学。近年来发表SCI论文30余篇，其中以第一作者或通讯作者（含共同）在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Adv. Sci. 、Chem. Eng. J.、Small等期刊上发表SCI论文10余篇，总引2000余次。授权专利4项。
叶正青，河北工业大学，副教授，博士生导师，澳门青年学者和元光学者。2022年于北京理工大学获得博士学位（师从吴锋院士和陈人杰教授），同年入职河北工业大学材料科学与工程学院，从事教学和科研工作。2023年入选“澳门青年学者”计划在澳门大学开展博士后研究工作（合作导师：Kwun Nam Hui）。长期致力于新型二次电池等电化学储能器件关键材料的开发和机理研究。近年来共发表28篇SCI论文，总被引用2000余次。以第一作者/通讯作者发表SCI论文15篇，其中5篇入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文，包括Advanced Materials (3篇)、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy、Energy Storage Materials等材料、化学与能源领域高水平期刊。申请国家发明专利4项，授权3项。曾获北京市优秀博士学位论文、Nano Research Energy学术研究新星金奖、北京市优秀毕业生等荣誉与奖励。主持国家自然科学基金青年项目一项；中国材料研究学会和中国复合材料学会会员；EcoEnergy和Microstructures期刊青年编委。
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