江苏大学《Prog. Solid State Ch.》综述：超快焦耳加热技术—电池材料非平衡合成与结构精准调控的新范式
导语
随着全球能源结构向可再生能源转型，高效电能存储系统成为关键支撑。然而，以锂离子电池为代表的各种电池体系，其性能的进一步提升正面临电极材料本征物化性质及传统合成工艺的双重制约。开发能够实现材料快速制备、微观结构精准设计且符合绿色制造要求的新型合成技术，已成为储能领域的前沿核心课题。
在此背景下，江苏大学材料科学与工程学院邓久军教授团队于固体化学领域权威期刊《Progress in Solid State Chemistry》上发表了题为“Applications of rapid joule heating in rechargeable batteries: Material synthesis, structural engineering, and performance enhancement”的综述论文。该文系统性地阐述了快速焦耳加热（Rapid Joule Heating, RJH）这一新兴非平衡合成技术的基本原理、工艺特性及其在可充电电池材料与器件设计中的最新应用进展。文章指出，RJH技术凭借其毫秒至秒级的超快加工速度、超过3000 K的瞬时高温以及高于10⁵ K s⁻¹的极端升降温速率，为在原子尺度上精准调控电池材料的晶相、缺陷、界面及微观形貌提供了前所未有的强大工具，标志着电池材料制备正从传统热力学平衡过程向动力学主导的非平衡范式转变。
研究核心亮点
机制阐释：系统解析了RJH技术基于焦耳热效应的物理本质，明确了其通过瞬时电脉冲实现“爆炸形核”与“急速淬火”的非平衡过程，从而有效抑制晶粒粗化并保留高活性亚稳相与高密度缺陷的核心优势。
技术全景：详细对比了闪速焦耳加热（FJH）与碳热冲击（CTS）两种主流技术路线的装置原理与适用场景，并通过量化数据对比，明确了RJH在加工速度、极限温度及能效方面相较于传统热处理及其他快速加热技术的显著优势与当前局限。
结构精准调控：全面综述了RJH技术在调控电池材料结晶度、掺杂状态、异质界面及多维结构等方面的关键作用，建立了工艺参数与材料微结构之间的有效关联，为性能导向的材料理性设计提供了明确路径。
应用体系全覆盖：首次系统性地将RJH技术的应用范围梳理覆盖至负极、正极、电解质、集流体、电催化剂等电池全组件，展示了其作为平台型制造技术在下一代高性能、多功能储能体系开发中的巨大潜力。
图文解析
图1 & 图2：可充电电池的体系架构与核心挑战
本文开篇通过图1（可充电电池主要类别分类图）与图2（代表性储能机制工作原理与局限性分析图），清晰地勾勒出当前电池技术发展的全景与深层需求。图1系统分类了从锂离子电池到固态电池等多种体系；
图2则深入剖析了插层、合金化、转换等不同储能机制所固有的科学挑战，如体积膨胀、反应动力学缓慢、界面不稳定等。这两部分共同指出，突破现有性能瓶颈的关键在于对材料微观结构进行创新性设计与精准构筑，为引入RJH这一颠覆性合成技术奠定了逻辑基础。
图3, 图4 & 表1：RJH技术原理、实现路径与性能量化对比
图3（传统退火与RJH过程微观结构演化示意图对比）直观揭示了RJH技术的本质特征。与传统炉管退火趋向热力学平衡的缓慢粗化过程不同，RJH的极速升降温过程能将高能量亚稳态“冻结”，获得细晶、多缺陷的独特微观结构。
图4（FJH与CTS装置示意图）展示了实现该技术的两种具体路径。尤为重要的是表1（RJH与传统及快速加热技术参数对比），该表通过量化数据明确指出，RJH在加热速率（>10⁵ K s⁻¹）和最高温度（>3000 K）上具备数量级优势，同时也客观指出了其对前驱体导电性的依赖等工程化挑战。
图5至图9：负极材料的RJH合成与改性策略
本部分通过系列案例，详述了RJH在负极材料领域的“结构手术刀”作用。
碳基负极：图5展示RJH可快速合成具有扩增层间距或异质结构的石墨化碳，显著提升离子扩散速率。
掺杂工程：图6表明，RJH能高效实现氮等杂原子的均匀掺杂，优化碳材料的电子结构与表面化学。
硅碳复合负极：图7是解决硅体积膨胀问题的典范。RJH可将微米硅原位转化为均匀分散的纳米硅，并促进形成强结合的Si-C界面，协同提升循环稳定性。
金属/碳及新型负极：图8与图9进一步显示，RJH可用于制备高分散金属纳米颗粒复合材料，乃至合成传统方法难以获得的高熵氧化物等亚稳相负极材料。
图10至图11：正极材料与电催化剂的界面工程
对于正极材料，RJH的快速处理优势在于可避免活性物质的本体结构损伤。图10显示，该技术可用于构建高效导电碳包覆层或设计层状-尖晶石异质结构，有效提升电子电导并抑制相变。
在电催化剂方面，图11展示了RJH能够一步法在碳载体上合成多元合金或异质界面，其非平衡过程极易产生富含缺陷的高活性表面，从而显著提升氧还原/析出等反应的催化性能。
图12至图15：从特殊电极构型到全电池组件制造
RJH的应用已超越粉体合成，向器件级制造拓展。
三维结构电极：图12展示了利用RJH制备三维亲锂/亲钠宿主结构，以引导金属均匀沉积，为抑制枝晶生长提供了创新思路。
可持续制造：图13体现了绿色制造理念，即将光伏硅废料直接转化为高性能硅纳米线负极，实现了废物高值化。
其他核心组件：图14与图15揭示了RJH技术的广泛适用性，包括用于增强碳纳米管集流体的机械与电学性能（图14）、实现固态电解质的快速致密化烧结与界面改性（图15a-b），以及合成耐腐蚀海水电池催化剂（图15c）。
总结与展望
本综述系统论证，快速焦耳加热技术已发展成为一种能够对电池材料进行跨尺度结构精准调控的革命性非平衡合成平台。其核心价值在于，通过超快、超高温的极端动力学过程，突破了传统热力学的限制，为创制具有亚稳态、高活性界面及独特微观形貌的新材料提供了可能。从碳材料的秒级石墨化，到硅碳强界面的原位构筑，再到高熵相与三维多孔电极的制备，RJH技术在提升电池的能量密度、功率密度、循环寿命及安全性方面展现出普适而强大的能力。
然而，该技术迈向大规模应用仍需克服一系列科学与工程挑战：其非平衡过程的原子尺度机理有待原位表征技术与多尺度模拟的进一步揭示；对前驱体导电性的要求限制了原料的普适性；规模化制备中的热场均匀性、工艺稳定性及批次一致性控制是关键工程技术瓶颈。
展望未来，该领域的研究预计将聚焦于以下几个前沿方向：
机理研究的深化：发展原位/工况表征技术与高通量计算模拟相结合的方法，实时解析RJH过程中的相变、成核与生长动力学，建立从工艺参数到微观结构的预测模型。
工艺与工程的创新：探索RJH与卷对卷制造、增材制造（3D打印）等先进制造技术融合的路径，实现复杂结构电极的一体化、连续化制备。
应用边界的拓展：进一步推动RJH技术在固态电池（电解质烧结、界面优化）、多价离子电池（新型电极材料开发）等新兴储能体系中的创新应用。
可以预见，随着上述挑战的逐步攻克，快速焦耳加热技术有望从实验室的创新工具，转变为推动下一代高性能、低成本、可持续储能系统产业发展的关键制造技术。
文献信息
Lv, X., Wang, W., Liu, J., & Deng, J. Applications of rapid joule heating in rechargeable batteries: Material synthesis, structural engineering, and performance enhancement.Prog. Solid State Chem.2026, *82*, 100570. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2026.100570.