电极材料的进步在提高储能装置的性能方面发挥着关键作用，从而满足日益增长的储能需求，并符合可持续发展的要求。原子制造能够在原子水平上精确操控晶体结构，从而促进开发具有特定物理化学性质的电极材料并提高其性能。武汉大学付磊教授课题组详细，为电极材料中的原子制造提供了全面的理解。相关研究成果以“Atomic Manufacturing in Electrode Materials for High-Performance Batteries”为题发表在ACS Nano上。

　　电池的电化学性能直接受到电极材料的影响，因为氧化和还原反应分别发生在正极和负极。因此，电极材料在电池中至关重要，其性能（电压、容量、稳定性和倍率）的优化是目前研究的重点。

　　电极材料的晶体结构直接影响其性能。因此晶体结构的精确设计一直是研究人员的终极追求，但目前的制造水平无法满足日益增长的材料晶体结构和性能的精确定制需求。有必要对材料进行更高精度的控制，从而获得优异的电化学性能。作为物质的最小组成部分，直接操纵原子组装电极材料的晶体结构是最准确的方法。原子制造是一种精确操纵晶体结构中原子的策略，以创建具有精心排列的原子结构的材料、设备和系统。这不是现有制造业战略的延伸，而是一个突破。

　　批量制备使原子制造能够扩展到储能领域，它允许对性能进行调节和优化，以满足不同场景对储能材料性能的需求。原子能制造已经取得了许多重大突破。如锂离子电池硅负极的研究取得的突破，研究人员通过在Si的晶体结构中引入Ge取代，并通过精确的成分控制，在第一次循环中减少了“死锂”。它大大降低了锂扩散的能垒，提高了电化学性能，为调节各种电池材料的电化学行为提供了一种机制。

　　原子制造增加了原子的利用和集成，从而实现更高效的电极材料。尖端电极材料制造的基本原则是原子制造，这一观点有效地展示了原子级精密制造对电极材料性能的影响。本文简要介绍了原子制造如何促进电极材料晶体结构的精细操作；重点分析了原子制造控制的晶体结构对电极材料的电压、容量、稳定性和速率调节的影响，最后，介绍了用于原子制造的电极材料在晶体结构、制造方法和表征技术方面的挑战和未来机遇。这一观点使研究人员能够充分理解原子制造的定义以及原子制造与电化学性质之间的结构-活性关系。

　　原子制造涉及在原子水平上精确操纵和组装单个原子、分子和材料的原子簇，在这种制造精度下，有望不断突破电极材料性能的上限。对于储能装置来说，能量密度、功率密度和循环稳定性是满足工业化要求的非常重要的因素。作为电池中的重要组成部分，控制电极材料的晶体结构非常重要，采用原子制造方法，可以精确定制电极材料的晶体结构，以获得理想的电化学性能。制造原子材料的方法有很多，主要是在操纵原子类型和原子排列方面。通过选择原子类型和数量，以及精细调节原子排列，研究人员可以获得符合预期并达到理想性能的材料。原子制造的分类包括许多类型，在本文中主要考虑这四种典型的电极材料原子制造策略，以实现优异的电化学性能，包括掺杂、空位、异质结构和高熵，掺杂和高熵主要调节原子类型，异质结构和空位主要调节原子排列。简而言之，不同的原子制造策略对电极材料的电化学性能有不同的影响，掺杂和空位可以用来改变电极材料的晶体结构，在增加活性位点数量的同时产生稳定的电压，从而实现高能量密度。构建异质界面可以提供额外的传导路径，并在界面处产生内置电场，以提高电极材料的功率密度。电极材料的循环稳定性可以通过将高熵电极材料与原子组装来实现。因此，原子制造已成为修饰电极材料的首选手段，本文将通过掺杂、高熵、空位和异质结构来介绍原子制造的原理和方法。

　　电极材料需要具有优异的导电性，因此研究人员在改性电极材料中引入了掺杂策略。通过精确控制掺杂剂的浓度、位置和相互作用等因素，可以实现对材料性能的更精确调节。杂原子掺杂作为引入晶格缺陷的重要原子制造手段，可以精确地调制电极材料的本征晶体结构，不仅提高了晶体结构的稳定性，而且极大地优化了电荷状态，从而提高了相应的电化学性能。目前，在电极材料的结构中引入了各种价态掺杂剂来实现原子制造，如F-、Na+、Mg2+、B3+、Ti4+、V5+、Mo6+等。为了实现不同的改性效果，利用原子制造来调节掺杂原子的类型、掺杂浓度和取代位点是非常有吸引力的。基于尺寸和电荷等因素，外部原子可以占据一些缺陷位置。引入的外部原子必须表现出与衬底晶体良好的结构兼容性，并具有优异的溶解度，确保它们在晶格内的平衡。掺杂剂的使用量应该适中，过量掺杂可能导致原子结构的畸变，甚至导致电池性能的下降。因此，掺杂原子的精确调控对于设计电极材料的结构和提高电化学性能至关重要。

　　原子掺杂是指通过原子制造将新原子取代或插入电极材料的晶体结构中。这种对掺杂原子的精确调节可以极大地改变电极材料的物理和化学性质，以实现所需的性能。然而，电极材料的掺杂机理仍然没有得到充分的阐明。例如，目前尚不清楚掺杂原子如何改变材料的电子结构，以及这种改变是否能有效调节电导率。因此，需要更准确的原子制造策略来掺杂原子，从而能够清楚地分析掺杂机制。

　　除了掺杂，高熵是调节材料晶体结构中原子类型的另一种很有前途的方法。2004年，合成了高熵合金，将五个或更多不同的原子混合在一起，形成均匀分布的固溶体。这种特殊的成分带来了非常丰富和复杂的物理和化学性质。随着对高熵合金性能和结构的深入了解，发现高熵合金具有许多优异的性能，如高强度等。目前，原子制造可以准确合成高熵电极材料，以获得优异的循环稳定性，在选择原子方面，原子半径应尽可能接近，以减少扭曲应变和晶格畸变，同时，原子的电负性越接近，共享化学键的效果就越好。高熵效应可以通过采用精确的原子制造方法来实现。提高了电极材料的稳定性和结构强度，不同的原子以特定的量和比例混合，并仔细控制它们的排列，这确立了原子制造作为构建高熵材料以提高电极稳定性的关键方法。

　　高熵材料的精确合成可以通过简单的共沉淀方法实现。在这种方法中，通过选择不同数量和类型的金属离子，在氰化物的作用下发生氧化还原反应，得到的高熵普鲁士蓝类似物（HEPBA）可以逐渐聚集形成稳定的晶体结构并沉淀出来。在HEPBA的框架结构中，具有单个官能团的原子的数量和位置是随机分布的。例如，HEPBA中的Fe、Mn和Co原子可以提高材料的容量，而Ni、Cu和Zn可以提高稳定性。因此，为了获得具有高容量和稳定性能的电极材料，有必要对元素类型和比例进行详细的选择，对于一些无法通过共沉淀法合成的高熵材料，高温退火是合成高熵材料的另一种有效方法。

　　调节晶体结构中原子的排列是很重要的。空位表示在晶体结构的节点处存在未被占据的原子。随着原子排列的变化，会产生一些特殊的空位，原始的原子间作用力得到平衡，导致主体材料的局部配位环境和电子结构发生一定的变化。由于空位对电子/离子导电性和电化学活性的极大增强，这在电池中引起了广泛的关注。氧空位是最常见的空位类型，它可以消除动力学限制，改善电极材料的离子扩散，从而提高储能性能，所产生空位的电荷、分布和浓度对空位的特定功能起决定性作用。因此，空位的原子能级调节对于在晶格中获得特定缺陷至关重要。通过在原子水平上操纵空位，材料内部的原子被重新排列，材料中的缺陷可以被精确地调节以改善电子结构，从而实现良好的电化学性能。通过开发多功能空位和精确的阴离子/阳离子空位原子调节，可以改善电极材料的电化学性能。

　　异质结构被用于半导体，调节材料的能带，并表现出传统同质材料无法实现的优越机械或物理性能。它可以显示原子在晶体结构中的排列，晶体结构由不同的材料或成分组成，两种不同结构表面的每个原子都形成了一个不同的界面或界面区域。在异质界面中，不同材料的原子以特定的方式相互接触和相互作用，从而显示出不同的性质。这种界面通常是由原子或分子微观结构的一些差异产生的，导致材料的电化学性能发生明显变化。因此，通过精确调节原子组成来组装特定的异质结构，从而实现电池性能的定制。

　　总体而言，原子制造的方法多种多样，应用场景也是多方面的。掺杂、高熵、空位和异质结构是原子制造晶体结构的四种最典型的策略。它们不仅改善了电极材料的一些固有特性，而且提高了综合电化学性能。为了更准确地展示原子制造对电极材料的影响，作者以锂电池正极材料为例，展示了不同原子制造策略对电极材料电化学性能的影响。

　　电极材料是电池最重要的组成之一，直接影响着电池的各种电化学性能，如能量密度、充电速率、循环寿命等。对高性能电池的需求不断增加，就要求优化电极材料的性能和材料设计。电极材料固有的原子组成和结构直接决定了它们的电化学性能。原子制造可以在原子尺度上精确调节电极材料的晶体结构，使电池性能不断突破。因此，了解原子制造对电极材料各个方面（电势、容量、稳定性和速率）的影响变得至关重要。

　　电极材料的电势受到其固有的原子组成和结构特征的限制。因此，通过原子制造来稳定周围环境和材料内部原子的排列，从而保持电极材料的高电势状态是非常重要的。目前，许多正极材料已被确定具有固有的高充电/放电平台，如富锂层状氧化物、富镍层状金属氧化物、高压聚阴离子化合物、高压尖晶石氧化物等。

　　一些存在的潜在问题，如电压滞后和衰减，不仅会耗尽电池的容量，还会缩短电池的循环寿命。因此，电极电压是影响电池性能的最大影响因素。通过原子制造，既可以定制一些具有高本征电压的材料，又可以稳定材料中的高压原子，抑制结构转变。可以有效抑制高电压正极材料的电压问题，从而在提高电压的同时保持高电压状态，从而进一步促进高性能正极材料的发展。

　　容量是提高能量密度的另一个重要因素，它与电极材料的电子转移数密切相关。实现对电极材料晶体结构的精确原子级控制对于解决载流子选择性差和活性位点堵塞的问题至关重要，从而增加氧化还原反应中心的数量。这将能够达到甚至超过电极材料的理论容量，并提高电池的能量密度。

　　激活电极材料的惰性位点并产生更多的活性位点已成为实现高容量电池的关键策略。原子掺杂可以实现一些原子在电极材料中的取代或掺入，例如过渡金属和稀土元素，可以改变原始惰性位点的电子结构和表面活性，从而调节该位点的反应活性。

　　电池的循环稳定性是决定电池寿命和安全性的关键因素，直接受电极材料结构稳定性的影响。通过使用原子制造，可以通过精确调节原子组成和晶体结构的排列来获得具有增强的结构稳定性的电极材料。该材料能够维持电荷载流子的重复插入和提取，同时抑制有害的副反应，从而实现可逆的电化学反应和卓越的循环稳定性。

　　在电化学过程中，负极表面严重的枝晶生长会刺穿隔膜，导致严重的容量损失、不稳定的长循环，甚至电池故障。枝晶生长的主要原因是基体不均匀，导致局部电流过大。原子制造可以制造出具有均匀基底或保护层的材料，具有一致的孔径，以促进均匀的金属离子沉积并防止枝晶形成；同时，原子制造被用来进行原位合金反应，有效地抑制枝晶生长。

　　电池的倍率性能主要受到电子和离子传输的限制。因此，在原子尺度上考虑两种方法来提高倍率性能：最小化电子传输路径中的电阻和优化电活性材料内的离子传输，从而提高倍率性能。

　　电子的快速转移主要取决于本征电导率的提高。为了解决电极材料固有导电性差的问题并降低电子传输电。