天津大学陈亚楠教授团队 ACS AEM：焦耳热超快合成非平衡态能源材料——毫秒级制备与跨体系性能突破
导语
面向电动汽车、便携电子及大规模储能对“更高能量、更快充电、更长寿命、更绿色环保”的迫切需求，传统“慢速加热、长时间反应”工艺已难以突破电极与催化剂性能瓶颈。天津大学陈亚楠团队在 ACS Applied Energy Materials 发表综述，系统阐述焦耳热超快合成（HTS）如何以毫秒级非平衡热力学路径，实现缺陷可编程、性能跨越式提升，并给出从实验室到工业化的放大路线图。
— 研究亮点 —
毫秒级非平衡合成：>3000 K 瞬时高温与≈10⁵ K s⁻¹ 淬冷，冻结高浓度缺陷与亚稳相，实现缺陷构型“按需编程”。
全电池体系普适验证：在锂、钠、钾及多价离子电池正极、负极与电催化体系中均显著提升性能；LiFePO₄ 10 C 循环容量保持 84 %，NiO@C 乙醇氧化活性提升 40 倍。
绿色闭环工艺：秒级低能耗合成 + 废旧电极 99 % 级回收，能耗降低 90 %，为下一代能源材料提供可规模化的绿色制造与循环再生范式。
— 图文导读 —
图 1 焦耳热超快合成——原理、优势与普适性
图 1a 示意图：毫秒级电脉冲作用下，前驱体-导电基底界面瞬时升温至>3000 K，伴随纳米晶自组装；表 1 定量对比 HTS、传统管式炉与水热法的加热/冷却速率、最高温度及工艺时长，HTS 加热速率高出 3–4 个数量级，全程由“小时”压缩至“毫秒”。
图 1b 陶瓷闪速烧结装置：石墨模具-粉体复合体内脉冲电流焦耳热可在数秒内完成致密化，抑制晶粒长大。
图 1c 卷对卷连续反应器：为后续工业化放大提供工程原型。
2 锂离子电池
2.1 正极材料
HTS 引入缺陷-应变协同网络，提升离子/电子输运与结构稳定性。
图 2a HTS 处理正极粉体瞬态相变示意：毫秒高温诱发阳离子混排与晶格畸变，快速淬火冻结高缺陷状态。
图 2b HTS-LiFePO₄ 与常规 LiFePO₄ 的锂扩散系数对比：HTS 引入的 Li-Fe 反位缺陷与拉伸应变使 10 C 容量保持率提升至 84 %。
图 2c HTS 高镍 NCM：阳离子混排<4 %，200 周 1 C 循环后容量保持 80 %，能耗降低 90 %。
2.2 负极材料
HTS“界面梯度+缺陷通道”策略突破碳基与合金材料性能瓶颈。
图 2d 双脉冲热冲击-机械振动耦合：首次脉冲石墨微区成核，二次脉冲引入非晶缓冲带，形成晶态-非晶态互锁网络。
图 2e 回收石墨：HTS 秒级表面涡轮层化缺陷引入、粘结剂分解与铜箔重构，材料回收率>98 %。
图 2 (a) HTS 合成正极材料示意图；(b) 非平衡(H-LFP)与平衡(F-LFP)焙烧中 Li⁺扩散示意图；(c) HTS-NCM 化学与结构演变；(d) 热冲击与双冲击策略对比示意图；(e) 再生石墨(RG)与富含缺陷再生石墨(DRG)形成示意图。
3 其他离子电池
3.1 钠离子电池
HTS 60 s 在 O3-NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂ 表面形成 NaCaPO₄ 纳米级玻璃包覆，抑制 Ni²⁺ 迁移；30 s 1550 °C 热冲击硬碳呈现 0.395 nm 石墨畴与 1–2 nm 闭孔，可逆容量 325 mAh g⁻¹。
图 3a HT-NCP@333 与 Tu-NCP@333 形成示意图。
图 3b 硬碳合成示意图。
3.2 钾离子电池
HTS 毫秒级路径捕获亚稳合金相，BiSnSb 合金晶格畸变被快速淬火固定，抑制相分离；≈10 s 内实现 BiSb 固溶体均质化。
图 3c 非平衡合成多元素合金纳米颗粒示意图。
图 3d 10 s 处理期间 XRD 等高线图。
3.3 多价离子电池
HTS 引入高浓度氧空位与结晶-非晶异质界面，降低多价离子迁移势垒。
图 3e MgFeSiO₄-HTS 与 MgFeSiO₄-TFA 形成示意图，Vö 浓度高。
图 3f VO₂/石墨烯异质结闪蒸合成示意图，10 A g⁻¹ 循环 5000 周容量保持>80 %。
4 电催化应用
HTS 毫秒级精准构筑活性位点。
图 4a GPA 揭示 IrNi 位错阵列使 d 带中心下移 0.15 eV，碱性 HER 过电位 17 mV@10 mA cm⁻²。
图 4b HTS 一步 L1₀-PtPdAuFeCoNiCuSn 纳米颗粒，HAADF-STEM 证实元素尺度均匀混合。
图 4c NiO@C/CC 空气辅助热冲击形成 Ni³⁺/Vö 共修饰表面，乙醇氧化 119.1 mA cm⁻²。
图 4d 非晶 CoFeNiPi@ACC 毫秒热冲击原位转化为 CoOOH，Tafel 斜率 32.2 mV dec⁻¹，100 h 稳定。
图 4 (a) 位错生成示意图；(b) MPEI 纳米颗粒合成及对比；(c) NiO@C/CC 合成路线；(d) CoFeNiPi@ACC 焦耳热处理示意图。
5 挑战与展望
5.1 当前挑战
温场均匀性、材料高温稳定性、连续化能效仍待优化。
5.2 未来方向
先进热管理设计缩小温场梯度；
AI-机器人闭环系统实时关联原位光谱-性能数据；
可再生能源驱动绿色工艺与云端协同平台，推动 HTS 从实验室走向全球可持续制造。
结论
焦耳热超快合成（HTS）通过快速合成非平衡态材料并精确调控缺陷构型，显著提升离子传输动力学、催化活性与结构稳定性，突破锂、钠、钾及多价离子电池与电催化体系长期瓶颈，成为下一代能源设备关键通用平台。未来需多学科整合、材料信息学、先进表征和智能过程控制，建立预测性合成框架，推动 HTS 与全球可持续发展目标一致。
— 中科精研 · 可对标 HTS 的实验级装备 —
• FJH 焦耳闪蒸加热装置：μs–ms 升温，2000–10000 K，适配综述中“毫秒缺陷冻结”需求。
• HTS 焦耳超快加热装置：秒级升温，100–3200 ℃ 可调，单次循环分钟级，已用于锂/钠电极公斤级试验线。
• HTL 焦耳高温长时装置：小时级保温，专供缺陷退火或梯度烧结。
全部开放 LabVIEW/Python API，可原位对接 XRD、拉曼、同步辐射。
陈亚楠教授 现任深圳中科精研首席技术顾问，主导设备参数库与 AI 工艺模型共建，确保实验-放大无缝衔接。