清华大学张强教授团队：连接电池制造与性能——颗粒结构组装凸显电池设计的颗粒工程范式--颗粒学报PARTICUOLOGY

电池在当代能源存储应用中发挥着不可或缺的作用。在电极等电池组件中，颗粒如何被排列和组装成功能结构，对电化学性能具有至关重要的影响。然而，相较于其材料的本征化学性质，颗粒尺度上的组织结构在学界尚未得到同等充分的重视。本展望中，作者强调颗粒结构组装（particle structure assembly, PSA）应被视为连接电池制造过程与电池性能的综合性状态变量。作为整体结构状态的描述符，PSA统括了粒径分布、孔隙率、曲折度和颗粒间接触网络等颗粒尺度结构特征。PSA在粉体制备、浆料加工和辊压等制造过程中逐步演进，并决定电极结构构型和界面连通性，进而调控浓度场、电势场和应力场等多物理场分布，划定工作电池可及的性能空间。在固态电池中，电极与固态电解质颗粒之间的匹配等因素使体系更加复杂，进一步凸显了PSA的重要性。将PSA视为核心状态变量，有助于推动电池设计从以材料本征化学为中心的思路转向综合的颗粒工程策略，为下一代储能技术发展进步提供支撑。

本文已OA，相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 117），收录于专刊“Special issue honoring the career contributions of Professor Yong Jin and Professor Zhiqing Yu”。客座编辑为加拿大西安大略大学祝京旭教授和清华大学张强教授。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

研究背景

电化学储能是支撑可持续能源体系的重要技术基础，二次电池已广泛应用于便携电子设备、电动交通和规模化储能等场景。过去数十年间，电池研究在材料组成、晶体结构和电化学反应特性等方面取得了重要进展。然而，在实际体系中，电池性能并不只由材料本征化学决定。即使采用相同材料，不同浆料配方、干燥条件和辊压压力等制造参数也可能形成不同的电极内部结构，并进一步导致倍率性能、容量发挥和循环稳定性的显著差异。

上述现象表明，电池性能不仅取决于“材料是什么”，还取决于“颗粒如何被组装”。颗粒不仅是材料化学的被动载体，也是直接决定电池性能的关键因素。尽管粒径分布、孔隙率、曲折度和颗粒接触网络等颗粒学指标已被广泛用于描述电极结构，但它们往往被分散、孤立地讨论。事实上，这些参数本质上可视为同一颗粒组装状态的不同维度，应该在统一框架下理解。类似的框架已经在制药、土木工程等领域取得成功。由此，本文提出以颗粒结构组装（PSA）这一统括概念作为连接制造过程、颗粒尺度结构演化和电池性能的关键状态变量，据此超越单一的本征材料化学范式，让包括颗粒工程在内的更广阔视域引领电池研究。

要点精读

1. PSA是连接电池制造与性能的关键状态变量。PSA统括了粒径分布、孔隙率、曲折度和颗粒间接触网络等颗粒尺度结构特征，这些特征的数值由制造工艺参数决定，并共同参与调控由相应材料制成电池的性能。图1以相同材料组成、不同辊压程度的LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂正极为例，说明制造工艺通过PSA介导影响电池放电容量。该案例表明，即使材料化学组成完全相同，电极也可能因为PSA不同而对应不同的传输路径、界面连通性和性能空间。因此，PSA可被视为理解“同材不同效”现象、沟通电池制造工艺与工作性能的关键状态变量。

图1. PSA作为连接电池制造与性能的关键状态变量。粒径分布（PSD）、孔隙率、曲折度和空间网络是PSA的四个代表性维度，其数值由制造参数决定，并共同参与调控由相应材料组装而成的电池性能。图中数据展示了两组材料组成相同但辊压程度不同的正极PSA特征，以及其所组装全电池的放电容量。数据提取自文献。

2. PSA在电极制造过程中的渐进演化。粉体制备确定初始的粒径分布、颗粒形貌和堆积约束；浆料混合影响颗粒分散、团聚与再团聚；涂布过程在剪切流场作用下引发颗粒空间再分布；干燥过程通过溶剂蒸发和毛细作用诱导颗粒重排与局部迁移；辊压则进一步重构孔隙结构和颗粒接触网络。因此，最终PSA是制造历史累积作用的结果，而非由单一工艺步骤独立决定。这也进一步表明，电极制造不能仅通过平均孔隙率、压实密度等宏观指标来理解，还需要关注颗粒排列、孔道连通和接触拓扑等颗粒尺度上的组织方式。PSA为描述这些制造过程中的结构演化提供了统一语言。

图2. PSA在电极制造过程中的渐进演化。PSA在关键制造步骤中依次建立并演进，包括：（a）粉体制备，（b）浆料混合，（c）涂布，（d）干燥和（e）辊压。最终获得的PSA反映了制造工艺的累积作用，并决定了电极的结构与性能。注意：本图为示意图，图中颗粒尺寸并未按其相对于加工设备尺寸的实际比例绘制。

3. PSA调控电池运行过程中的多物理场分布。PSA决定颗粒堆积、孔道连通和界面接触，从而影响浓度场、电场和应力场分布，并进一步决定空间中非均匀的传输、反应和力学行为。由此，PSA不仅描述电极结构，也决定了电池内部的反应、传输和应力积累。例如，孔道结构会影响离子传输路径和浓度梯度，导电网络会影响局部电流密度和反应热点，颗粒接触与尺寸分布则会影响应力集中和结构稳定性。将这些效应统一到PSA框架下，有助于从颗粒尺度解释电池性能差异及失效机制，赋能基于颗粒工程的电池设计。

图3. PSA决定的多物理场分布及其对电池性能的影响。PSA在电池运行过程中影响多个相互耦合的物理场，包括（a）浓度场、（b）电场和（c）应力场。这些物理场共同调控空间中非均匀的传输、反应和力学行为，并最终决定电池性能。

亮点

1. 将颗粒结构组装（PSA）概念化为连接电池制造过程与工作性能的关键状态变量。

2. PSA将粒径分布、孔隙率、曲折度和颗粒接触网络等颗粒尺度结构特征整合成约束电池内部多物理场行为的统一描述符。

3. 基于PSA在电极制造过程中的动态演化，可建立直接的“工艺—结构—性能”关联。

4. PSA划定电池可实现的性能空间，并为高性能液态、固态电池体系的理性设计提供框架。

主要结论与展望

本文通过引入PSA概念，强调电池性能不仅关乎材料本征化学，也取决于颗粒如何在制造过程中被组织成功能结构。PSA作为制造过程塑造的颗粒尺度结构状态，将加工参数、电极结构、多物理场分布和最终电池性能连接起来。理解并调控PSA，有助于解释相同材料在不同制造条件下表现出不同电化学性能等现象，也为面向高能量密度、快充、长寿命和固态电池等应用需求的电池设计与工艺开发提供新的颗粒工程抓手。

展望未来，PSA可作为电池多尺度模拟、先进表征和智能制造中的重要结构参量。一方面，CT、FIB-SEM、原位/工况原位表征等技术可用于定量刻画真实电极中的颗粒组装状态；另一方面，人工智能、高通量实验和自动化平台可将PSA转化为可解释、可优化的结构描述符空间，从而建立从制造参数到电池性能的预测性设计框架。未来电池设计将不仅是“选择材料”，也将是“设计材料如何在颗粒尺度上被组装和利用”。

作者简介

张俊东，清华大学化工系博士生。2024年于清华大学获得理学、工学双学士学位，同年进入清华大学化工系，在张强教授指导下攻读博士学位。曾主持国家自然科学基金青年学生基础研究项目，获得北京市优秀毕业生、清华大学蒋南翔奖学金等荣誉。目前主要研究方向为固态电解质开发设计与介尺度多物理场模拟。

张强，清华大学教授。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、科学探索奖、可持续发展青年科学家奖等。长期从事能源化学与能源材料研究，致力于发展锂键化学理论体系，研制出固态复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了高比能电池器件和自动化智能研发平台。课题组主页：https://www.qianggroup.com/

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Zhang, J.-D., Zhao, C.-Z., Liao, K.-X., Zhang, R., Hu, J.-K., Chen, X., Ling, C., Wang, D.-W., & Zhang, Q. (2026). Bridging battery manufacture and performance: Particle structure assembly as a governing state variable. Particuology, 117, 516–523. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.07.021

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