来源：快猛电池 发布日期：2026-06-22 15:50:05

高熵电池资料（HEBMs）已成为能量存储与转换范畴一个充满前景的前沿方向，招引了全球范围内的广泛研讨重视。这些资料以其共同的结构特性、成分杂乱性、熵驱动的安稳性、超离子电导率以及低活化能为特征。2020年代初期见证了固体化学范畴的明显进展，以及“物理学在通量核算和实验的推动下，HEBMs 的开发引发了一场革新。虽然取得了这些进展，但对主导 HEBMs 的潜在原理和进程的体系性了解依然有限。本总述对新兴 HEBMs 的规划、组成、结构演化和熵安稳化进行了全面分析，特别强调了二次充电电池以及涵盖液态和固态技能中从低到高熵的规划参数。此外，该总述探讨了多组分杂乱性对析氧反响、电化学力学行为、零应变功能以及无 Co/Mn 阳极和阴极开发的影响。咱们要点介绍了高熵固体电解质（HESEs）和高熵液体电解质（HELEs）组成方面的最新突破，包含超快组成技能和增强极点条件下离子传输与安稳性的熵驱动战略。批评性地调查了熵在安稳多组分体系（如高熵石榴石和硫银矿）中的效果，强调了它们在高倍率和高能量密度可充电电池中的潜力。本总述最终概述了旨在进步 HEBMs 功能和可扩展性的未来研讨方向，利用核算规划和机器学习来战胜该范畴现有的应战。

图文摘要

在资料科学中，特别是在合金研讨范畴，了解熵（S）对于开发具有增强功能的先进资料至关重要。比如金属合金、功能动力资料和生物资料等立异效果，很大程度上依赖于现有资料的特性。合金化或组合多种组分是进步母体或基体资料功能的一种老练办法。通常情况下，在金属合金中混合五种或更多元素会产生其功能的平均值。这一原理标明，多种组分（五种或更多元素）的混合物应当呈现出各组分功能的平均值。但是，在某些情况下，或许会呈现“增强”或完全“新颖的特征”，这凸显了熵的重要性，特别是混合熵（∆ S mix）。在这些场景下，混合熵由公式 ∆ S mix = − ∆ G mix − ∆ H mix T 给出，其间 ∆ G mix 是混合吉布斯自由能，∆ H mix 代表混合焓，而 T 是绝对温度。
在高度无序的杂乱多组分体系[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]中，∆ S mix 被分解为多种成分，例如构型熵、振荡熵和平移熵。多组分体系内构型熵（S Config Ideal）的添加有助于完成理想特性，包含构成具有简单/杂乱晶体结构的单相固溶体、增强动力学、产生晶格畸变以及取得超越单个元素功能的属性[9]。虽然无序体系已被认识数十年，但熵安稳化或高熵的概念在2004年引起了广泛重视，并在多组分合金体系中得到了明确验证[10]、[11]。Yeh等人展现了一种由多个（五个或更多）等原子比/等摩尔比例元素组成的安稳合金体系[11]。他们提出，混合进程中S Config Ideal的添加足以抵消化合物构成的焓，然后防止有害金属间化合物的生成。这促成了“High–Entropy Alloys (HEAs)”这一术语的诞生。随后的独立研讨标明，无论是多相仍是单相HEAs，在恶劣环境下均表现出增强的力学功能和耐腐蚀性，引发了杂乱多组分资料体系的革新[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。风趣的是，多相HEAs和金属间化合物能够共存于多相中。
高熵效应的重要性很快扩展到了陶瓷范畴。2015年，Rost等人[21]引入了一类被称为“熵安稳氧化物”的新式陶瓷资料，后来被称为“高熵氧化物（HEOs）”。他们展现了一种安稳的五组分氧化物配方（等摩尔比：MgO、CoO、NiO、CuO和ZnO），具有单相晶体结构。这些资料在多相和单相状态之间表现出可逆的固态改变，使其具有极高的通用性。随后，根据过渡金属和稀土元素的氧化物（TM–HEOs和RE–HEOs）也得到了研讨[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。鉴于氧化物基资料在电化学储能运用中的要害效果，这一发现推动了高熵电池资料（HEBMs）的发展，首要用于碱金属离子电池。受Rost等人工作的启示，Sarkar等人[26]在2018年证明了一种相似成分的高熵氧化物（Co 0.2 Cu 0.2 Mg 0.2 Ni 0.2 Zn 0.2 ）O能够作为锂离子（Li+）电池（LIBs）的高效转化型负极。此后，人们展开了广泛的研讨，然后对一系列新式HEBMs进行了分类。值得注意的是，目前正在研讨中还包含高熵氟氧化物（HEOFs）[27]，[28]、硫化物（HESs）[29]，[30]，[31]，[32]、磷酸盐（HEPs）[33]、阴阳离子共存陶瓷如普鲁士蓝/白相似物（HEPAs）[34]，[35]、MXenes（HEMXenes）[36]，[37]以及许多其他资料[38]，[39]，[40]。
高熵资料（HEMs）为推进可充电电池技能提供了一种极具招引力的解决方案[41]。经过以近等比例混合五种或更多首要元素，HEMs完成了高构型熵，然后安稳其结构，进步了在极点循环条件下的热安稳性和机械耐性。这种由熵驱动的安稳性使HEMs能够防止传统电池资料中常见的相别离问题，然后增强循环寿命和可靠性。此外，HEMs在成分上具有灵活性，允许用更丰富且更具本钱效益的替代品来替换钴和镍等要害金属，如第4节所述。这种适应性不只削减了对稀缺资源的依赖，还降低了资料本钱，使HEMs成为储能运用的可持续选择。另外，HEMs的无序原子结构赋予了其共同的功能，包含增强的离子电导率以及在充放电循环进程中较低的体积膨胀。这些特性有助于进步容量保持率并保证电极和电解质的安稳功能，这对于电动汽车和电网储能的运用至关重要。而且，HEMs的多功能性延伸至多种电池类型，如Li-ion、Na-ion和固态电池，凸显了它们经过进步功能、耐用性和本钱效益来满意下一代储能体系需求的潜力。
高熵资料，特别是高熵电池资料（HEBMs）的飞速发展令人瞩目。这凸显了深化了解熵与在资料及电化学层面观察到的功能进步之间基本联系的重要性。在本总述中，咱们将根据资料规划、单相/多相/亚稳相安稳性、结构参数、组成技能以及相关的熵参数，分析高熵效应对电解质（固态和液态电解质；SSEs 和 LEs）要害功能的影响，例如离子电导率（σi）、溶剂化能（针对液体体系）和活化能（Ea）。接下来，咱们将探讨正极和负极资料的广泛范畴，包含 HEAs、HEOs、HEOFs 以及无钴高熵体系，要点重视高倍率和高电压的电化学功能。最终，咱们将提出关于 HEBMs 开发相关未来研讨机会的技能观点。
高熵”一词归纳了 $S_{Config\ Ideal}$ 的添加。该 $S_{Config\ Ideal}$ 与多组分体系中混合组分的数量及比例有关，其核算公式如下：$S_{Config\ Ideal} = -k_B \sum_{i=1}^N x_i \ln x_i$，其间 $x_i$ 是各组分 $i$ 的摩尔分数，$k_B$ 是玻尔兹曼常数。
风趣的是，一种资料要被归类为高熵资料，其理想的 S Config Ideal 应 ≥ 1.5 k B。用于分类HEMs的这一特定阈值1.5 k B 源于统计力学以及多组分体系中构型熵的原理。N个组分体系的构型熵一般形式表示为：S Config Ideal = R ln ( N )。当 N = 5（HEMs常见的最小值）时，熵核算得出 S Config Ideal ≈ 1.6 R，这挨近四舍五入后的1.5 R。对于包含五个或更多元素且比例持平或近似持平的体系，该数值在实践中是能够完成的。相似地，中熵资料介于1和1.5 k B之间，而低熵资料则 < 1 k B [8], [20]。
需要注意的是，从组分配置的视点来看，多组分体系并不必然意味着高熵资料分类[8]。不同资料体系中占主导地位的熵类型或许存在明显差异。在研讨资料时，或许会涉及多种熵度量目标。除了构型熵[8]之外，构象熵[42]、振荡熵[43]、转动熵[44]、平移熵[45]和空腔熵[46]在研讨晶体[47]、聚合物[48]和液体体系[49],[50]时也发挥着重要效果。关于在杂乱多组分体系中运用“高熵”术语往往存在相当大的争议。“熵安稳化”或“成分杂乱”等术语也常被运用，但它们具有不同的技能含义[51],[52],[53]。虽然如此，因为杂乱多组分资料的主观性，这些术语经常被交换运用。
很多研讨标明，在电解质和电极资料的规划与探索中引入高熵战略，能明显进步电池功能[3], [5], [7], [8], [21], [22], [23], [34], [35], [39], [50], [54], [55], [56], [57]。HEBMs高度无序且扭曲的晶格结构产生了很多内部缺点，这些缺点有利于离子搬迁并降低活化能[29], [31], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66]。这些特性促使了用于Na-ion（Na+）电池（SIBs）高倍率和高电压运转的高熵正极和负极的开发与运用[52], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74]。自2018年以来，LIBs零/低应变正极[67], [75]和负极资料[76], [77], [78], [79]的立异，以及具有卓越催化功能的Li-S电池资料，已有效缓解络绎效应并大幅进步反响动力学[72], [80], [81], [82]。因而，储能资料范畴正在产生一场革新（见图1）。
在电化学储能范畴，多组分规划经过多种手段明显进步了电池资料的功能。例如，添加固态电解质（SSEs）中载流离子（Li+、Na+、K+）的能量[83]，以及降低LEs中的离子溶剂化强度以进步搬迁率[49]、[50]。构建受挫能量景象[84]以削减正极/负极资料的体积变化，并降低对钴（Co）和锰（Mn）等要害金属的依赖[75]、[85]、[86]。这种从化学到功能的多功能性使得HEBMs尤为宝贵。