全固态电池因其更高的安全性和能量密度潜力，被视为下一代储能技术的关键发展方向。然而，固态电极内部复杂的电荷传输过程，尤其是离子与电子传输的不平衡，导致电极内部电化学反应严重不均，形成显著的锂浓度梯度。这如同在电池内部出现了“交通拥堵”，极大降低了活性材料利用率，加速了电池性能衰减，成为制约其性能提升和实用化的重要瓶颈。精准“看清”并有效调控这种内部的不均匀性，一直是该领域的世界性难题。

近日，清华大学深圳国际研究生院柳明团队联合大湾区大学钱坤团队及中国原子能科学研究院肖才锦研究员，在这一难题上取得重要进展。团队创新性地提出并验证了一种基于“电荷转移优化”（CTOC）的梯度设计策略。该策略的核心在于采用独特的双层梯度结构：在靠近隔膜的一侧，使用高离子电导固态电解质，构建高速的“离子传输快车道”，显著降低了离子传输阻力；在靠近集流体的一侧，则采用含导电剂的纳米级固态电解质层，确保“电子传输快车道”畅通无阻。这种设计巧妙地实现了离子和电子传输路径在空间上的解耦与协同优化，同时保证了整个电极中活性物质的含量不降低，最大程度维持了能量密度。

研究团队首次成功应用对锂元素敏感的中子深度剖面分析（NDP）技术，如同给电池内部做了一次高精度的“CT扫描”，在实验中直接观测并定量证实了传统单层正极内部存在的显著纵向锂浓度梯度。更为重要的是，该技术清晰显示，采用新型CTOC设计的电极成功地实现了锂浓度均匀分布，锂离子在电极厚度方向上实现了快速的均匀流动。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）的二维元素分布也同步验证了这一结果。

得益于内部“交通拥堵”的根本性缓解，采用CTOC设计的全固态锂电池展现出卓越的性能：在2C高倍率充放电条件下循环2000次后，电池容量保持率达82.7%，相比传统设计提升近三成。同时，电池的电压衰减和极化现象也得到显著抑制，充分证明了电荷转移动力学的根本性改善。这一成果为开发兼具高能量密度、超长寿命和优异倍率性能的实用化全固态锂电池提供了全新的设计思路和坚实的实验基础。

图1.传统和梯度设计固态电极的对比

图2.梯度设计固态电极的结构

图3.传统和梯度设计固态电极的性能对比

图4.传统和梯度设计固态电极的XRD

图5.传统和梯度设计固态电极的锂浓度分布差异

相关研究成果以“纵向空间电荷转移优化复合正极实现超稳定全固态电池”（Longitudinal Spatial Charge Transfer Optimization in Composite Cathode Enables Ultra-Stable All-Solid-State Batteries）为题，于7月29日发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。

清华大学深圳国际研究生院2024级博士生梁俊威和大湾区大学助理教授钱坤为论文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院副教授柳明为论文通讯作者。论文共同作者包括深圳国际研究生院教授康飞宇、贺艳兵，副研究员司知蠢，2023级博士生李宇航，中国原子能科学研究院研究员肖才锦，南方科技大学教授韩松柏、副教授曾林。合作单位包括大湾区大学、中国原子能科学研究院、南方科技大学等。

研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省杰出青年基金项目等的资助。大湾区大学为电极结构表征技术（PFIB-TOFSIMS）和中子测试表征技术提供了核心支持，中国原子能科学研究院和中国散裂中子源为中子深度剖面分析提供了重要支持。