综述：锂离子电池的梯度设计：从颗粒到正极

《Materials Science and Engineering: A》：Gradient design for lithium-ion batteries: from particle to cathode

本文综述了梯度设计在锂离子电池阴极材料中的应用，探讨其在不同尺度（颗粒至电极）优化结构稳定性、界面反应及离子传输效率的策略，结合实验与理论模型揭示其作用机制，并展望未来挑战与趋势。

　　锂离子电池（LIBs）在现代社会中扮演着至关重要的角色，从便携电子设备到电动汽车，其应用范围不断扩大。随着对高性能电池需求的增加，科学家们不断探索新的材料和结构设计，以提升电池的能量密度、安全性和循环寿命。其中，梯度设计作为一种创新且有效的策略，正在成为优化电极材料，特别是正极材料的关键手段。

梯度设计的核心理念在于通过空间方向上的逐步变化来调控材料的组成、微观结构和物理化学性质，从而实现特定的功能需求。这种设计方法可以有效应对电池内部的多维和空间异质性问题，如体积结构稳定性、界面副反应以及离子/电子传输动力学等。相比传统的均匀设计，梯度设计能够更精确地满足电池在不同尺度下的差异化电化学行为，为实现理想的电化学反应提供更优的解决方案。

在材料颗粒尺度上，梯度设计通常涉及元素浓度的逐步变化，尤其是在过渡金属（TMs）从颗粒中心向表面或近表面区域的分布上。这种化学梯度设计能够更好地发挥不同TMs的作用，从而实现电池整体性能的提升。此外，梯度颗粒还能实现对体积活性、表面稳定性和机械应力等特定功能的局部调控，提高材料的性能和使用寿命。

在电极尺度上，梯度设计则关注于电极结构的优化。为了提高电池的能量密度，通常会采用厚电极（TEs）设计，但厚电极会导致电子和离子迁移距离的增加，进而影响电解液渗透效率和电荷传输动力学，增加欧姆电阻，降低电池的功率密度，尤其是在高倍率充放电条件下。为了解决这些问题，研究者们开发了多种梯度电极设计策略，通过调整电极的组成、尺寸和孔隙率等参数，实现对电解质扩散路径、电子/离子传输通道以及电流和热量分布的优化。这种设计方法能够有效提升电极的结构稳定性和电化学性能，为电池的高功率应用提供支持。

近年来，实验与理论建模的结合在电池研究中显得尤为重要。理论建模不仅能够描述电池内部和外部特性的变化，还能为材料设计和优化提供指导。对于梯度材料而言，其复杂的组成和结构变化使得理论建模更加关键。通过建模，研究者可以预测不同梯度设计对电池性能的影响，从而减少实验次数，提高研发效率。同时，理论建模还能帮助理解材料在不同尺度下的行为，为实验设计提供理论依据。

尽管梯度设计在优化锂离子电池性能方面已经展现出显著的优势，但在实际应用中仍然面临诸多挑战。例如，在材料合成过程中，如何精确控制梯度的形成，以确保其在不同尺度上的功能一致性，是一个亟待解决的问题。此外，梯度设计在提高电池性能的同时，是否会对电池的制造成本和工艺复杂性产生影响，也需要进一步评估。同时，梯度材料在实际应用中的长期稳定性，以及其在不同环境条件下的表现，都是研究的重点。

为了更好地推动梯度设计在锂离子电池中的应用，研究者们需要从多个方面进行深入探索。首先，应加强对梯度设计在材料颗粒和电极尺度上的研究，开发更加精确和可控的合成方法。其次，应结合实验和理论建模，对梯度材料的性能进行系统评估，从而优化设计参数。此外，还需要关注梯度设计在电池制造和使用过程中的实际应用，确保其在不同应用场景下的可行性和稳定性。

总的来说，梯度设计为锂离子电池的性能优化提供了一种全新的思路。通过调控材料的组成、结构和物理化学性质，梯度设计能够有效解决电池在不同尺度下的多维和空间异质性问题，提高电池的整体性能和使用寿命。尽管目前还存在一些挑战，但随着研究的深入和技术的进步，梯度设计有望成为未来高性能二次电池发展的重要方向。通过不断探索和创新，科学家们将能够开发出更加高效、安全和稳定的电池系统，为实现碳中和目标和推动现代科技发展做出更大贡献。