综述：关于高熵氧化物作为锂离子电池正极、负极和固态电解质的见解：一项全面综述

高熵氧化物（HEOs）作为新型锂离子电池材料，在阳极、阴极及固态电解质中展现出结构稳定性、高离子电导率和可调控特性，适用于钠/锌/钾离子电池及超级电容器，未来需突破成本与规模化制备瓶颈。

作者名单： Shrikanth G.K. | Takaaki Tomai | Guddappa Halligudra | Sudhakar Y.N. | Chandrakantha Bekal | Padmaraj N.H. | Saraswati Kulkarni | Raghavendra K.G. | Chetana S. | Manjunath Shetty 所属机构： 印度马尼帕尔高等教育学院马尼帕尔理工学院

摘要

随着电动汽车和便携式设备对储能设备的依赖日益增加，新型材料的研发成为了研究重点。在材料开发领域，高效且可持续的电池用新型材料的开发尤为受到关注。本文综述了一类名为高熵氧化物（HEOs）的材料，这类氧化物可用作锂离子电池的阳极、阴极和固态电解质（SSE）。由于其能够根据需求调整自身性能，HEOs作为下一代电池材料具有巨大潜力，适用于包括钠离子、锌离子、钾离子储能系统及超级电容器在内的各种储能技术。本文详细探讨了HEOs在阳极、阴极和固态电解质中的应用机制，并强调了其在推动清洁可再生能源技术发展中的重要作用。通过整合基于HEOs的电极和电解质，有望实现安全、耐用且高性能的锂离子电池和全固态电池。 随着跨学科合作的持续深化以及工业规模生产工艺的进步，HEOs有望成为传统过渡金属氧化物材料的竞争性、可持续替代品。进一步优化材料结构与性能的关系、实现可规模化合成以及改进电极-电解质设计，将是将HEOs从实验室阶段转化为商业可行储能技术的关键。

术语说明

- 高熵氧化物（HEOs）：由至少五种主要元素组成的材料，每种元素占比在5%至35%之间。 - 固态电解质（SSE）：用于锂离子电池中的电解质。 - 锂离子电池（LIB）：以锂离子为正极的二次电池。 - 高熵材料（HEMs）：具有较高熵值的材料。 - 高熵（HE）层状电极材料（LEMs）：具有多层结构的电极材料。 - 锂富集层状氧化物（LLO）：富含锂的层状结构材料。 - 过渡金属氧化物（TMOs）：包含过渡金属元素的氧化物。 - 稀土（REs）：具有特殊物理性质的金属元素。 - 氧空位（O_v）：晶体结构中的空位缺陷。 - 构型熵（S_config）：材料中原子排列的有序程度。 - 电化学阻抗谱（EIS）：测量电池电化学特性的技术。 - X射线光电子能谱（XPS）：分析材料表面电子结构的分析方法。 - X射线吸收光谱（XAS）：研究材料内部原子结构的分析技术。 - 选区电子衍射（SAED）：观察材料微观结构的分析方法。 - 电化学阻抗谱（EIS）：测量电池电化学特性的技术。

高熵氧化物的定义与基本原理

高熵氧化物（HEOs）的定义主要基于两种视角：一种关注其化学成分，另一种关注其构型熵（S_config）。根据化学成分定义，HEOs至少包含五种元素；而基于构型熵的定义则要求材料的构型熵大于气体常数R的1.5倍（在无序状态下）。这些材料具有独特的性质，为新一代电池材料提供了广阔的应用前景。

高熵效应的四个基本方面

在高熵氧化物中，“高熵”（HE）具有明确的科学含义，但该术语也常用于描述熵值显著增加的系统。通过引入更多组分来刻意实现这种高熵状态。HEOs的主要特征包括：高熵效应、晶格畸变、扩散速率降低以及多种效应的协同作用，这些特性共同赋予了材料新的优异性能。

锂离子电池阳极材料

锂离子电池的阳极材料可根据锂储存机制分为插层型、合金型和转化型三类。合金基阳极（如硅和锡）具有较高的理论容量和能量密度，但循环过程中的体积变化较大，导致循环寿命缩短和容量快速下降。插层型阳极（如石墨、钛酸锂和二氧化钛）则表现出较好的稳定性和循环性能。

成本与可扩展性挑战

HEOs的制备过程涉及多种金属元素，导致原材料成本上升和制造工艺复杂化，这限制了其在大规模工业应用中的普及。为实现严格的相纯度和均匀的元素分布，通常需要更高的能量消耗和更复杂的处理流程，尤其是与传统氧化物相比时更为明显。

未来研究方向与实际应用

未来研究应着重于阐明HEOs的结构特征与其电化学行为之间的关联，深入理解晶格畸变、阳离子无序状态及氧空位对材料性能的影响，从而优化材料组成。先进的原位表征技术（尤其是基于X射线的分析方法）在这一领域具有巨大潜力。

结论

高熵氧化物（HEOs）为下一代锂离子电池（LIBs）提供了革命性的材料选择。它们能够在单晶晶格中容纳多种金属离子，从而显著提升材料的构型熵，增强结构稳定性、离子导电性和电化学可逆性。在各种阳极材料中，具有岩盐结构、尖晶石结构、钙钛矿结构和焦绿石结构的HEOs在锂离子储存容量和循环稳定性方面优于传统氧化物。 作者贡献声明 - Shrikanth G.K.： 起草初稿、数据整理、方法论设计、概念构建。 - Takaaki Tomai： 数据可视化处理、监督工作。 - Guddappa Halligudra： 文稿审阅与编辑、资源协调、方法论指导。 - Sudhakar Y.N.： 文稿审阅与编辑、监督工作、数据整理。 - Chandrakantha Bekal： 文稿审阅与编辑、监督工作、数据整理。 - Padmaraj N.H.： 文稿审阅与编辑、数据整理。 利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。 致谢 作者感谢马尼帕尔高等教育学院马尼帕尔理工学院提供的TMA Pai奖学金支持。