电池能否快速充放电并长期稳定运行，与离子和电子在材料中的传输过程密切相关。对于固态电池，离子需要穿过固态电解质，并顺利跨越电极与电解质之间的界面；对于水系有机电池，离子迁移还需与电极中的电子传输、活性位点反应相互配合。一旦传输受阻，或材料在反复充放电中发生结构变化和溶解，电池的输出能力与使用寿命便会受到影响。因此，如何通过结构设计构建快速、稳定的电荷传输通道，是不同储能体系面临的共同课题。

近日，化工与材料学院高志杰教授、郝志敏博士团队联合中山大学李海文教授团队围绕这一共同课题，在固态电解质与水系有机电极研究中取得系列进展。团队从材料内部的离子迁移、复合界面的传输协同以及循环过程中的结构稳定性入手，分别开展高熵固态电解质设计、苯醌聚合物与碳材料复合、吩嗪类分子纳米化复合研究，为兼顾快速充放电与长寿命提供了材料设计思路。相关成果发表于《Journal of Power Sources》《Journal of Energy Storage》和《Journal of Colloid and Interface Science》。研究得到了中央引导地方科技发展资金、山东省自然科学基金、滨州市青年科技启明星、济宁市重点研发计划及学校科研经费等支持。

构建高效传输通道，首先需要改善离子在材料内部及界面处的迁移。针对石榴石型固态电解质离子电导率偏低、与锂金属接触不佳等问题，团队采用钛、铬、锡部分取代锆位点，制备了高熵固态电解质LLZTCSO，利用晶格畸变促进锂离子迁移，同时改善空气稳定性与力学性能。所得电解质室温离子电导率达到1.07 × 10-4 S cm-1；锂对称电池的界面阻抗降至100.5 Ω cm2。以磷酸铁锂为正极组装的全电池，在0.1 C下循环100圈后容量保持率为87.87%。该研究将材料内部的结构调控与电极界面优化相结合，改善了锂离子传输条件。

图1 高熵石榴石型固态电解质结构与全电池循环性能

在电极材料中，快速储能还要求离子与电子能够协同到达反应位点。围绕这一要求，团队在水系镁离子电池中采用缩聚沉淀法，将导电科琴黑纳米颗粒均匀分散于苯醌聚合物片层之间，构建nPDBM@KB复合电极。该结构通过有机组分与导电碳的紧密结合，在改善电子传输的同时为镁离子扩散提供通道，缓解多价离子迁移缓慢造成的动力学限制。材料在半电池测试中表现出约110C的高倍率性能；与活性炭正极匹配后，全电池在1 C下的放电比容量超过74 mAh g-1。这一结果表明，合理组织活性组分与导电网络，有助于将材料的储能活性转化为快速充放电能力。

图2 苯醌聚合物与科琴黑复合材料的制备示意图

高效的传输网络还需要在长期循环中保持稳定，这也是有机电极面临的另一关键挑战。在吩嗪类水系储钾电极研究中，团队提出溶解再沉淀策略，使二吡啶并吩嗪（DPPZ）以纳米尺度与科琴黑紧密复合，构建了纳米级DPPZ共形锚定于KB表面的有机-碳纳米复合材料（nDPPZ@KB），在构建连续电子/离子双通道传输网络的同时抑制活性物质溶解。所得电极材料在50 A g-1下循环55000圈后，容量保持率达到99.9%，是目前水系钾负极中最优异的循环稳定性。原位光谱与理论计算揭示了C=N位点与钾离子之间的可逆配位储能机制；与氢氧化镍正极匹配的全电池，在50 A g-1下仍具有113 mAh g-1的放电比容量，且该策略在多种有机分子和碳载体上均表现出普适性。该研究进一步说明，有机电极的界面设计需要兼顾传输效率与结构保持，才能支撑快速、持久的储能过程。

图3 吩嗪类有机分子与科琴黑的纳米复合结构示意图

从改善固态电解质中的离子迁移，到促进有机电极中的离子与电子协同传输，再到维持反复充放电过程中的界面与结构稳定，三项研究围绕电荷如何高效传输、传输通道如何长期发挥作用展开，体现了通过材料结构与界面调控提升储能性能的共同思路。相关成果为固态电池及水系有机电池的材料优化提供了参考，也为兼顾倍率性能与循环寿命的后续研究积累了依据。 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239577；https://doi.org/10.1016/j.est.2026.121083；https://doi.org/10.1016/j.jcis.2026.141553.