Nature Nanotech. + Adv. Mater.—港科大李丹团队破解离子传输的多尺度谜题

研究背景

在半导体、结构工程等领域，“数字化设计”早已成为推动技术革新的核心方法—通过对材料与结构的精确建模与性能仿真，可在虚拟空间中完成器件设计与优化，并实现从模型到现实的一体化转化。然而，在电化学系统中，这一愿景至今仍未真正实现。这并非源于单一因素，而是由于电化学系统本质上的复杂性与高度耦合性。在一个工作器件中，电子传输、离子迁移与扩散、界面反应、材料结构演化、相变、气体析出与体积应力变化等多个物理过程往往跨尺度、同步发生，并在空间（从分子、纳米到宏观）与时间（从皮秒到数小时甚至更长）维度上相互作用、动态演化。

更进一步，现实材料体系中广泛存在的不规则孔道结构、动态界面行为、电解质组成的多样性与非理想性，以及环境条件的变化，也极大地增加了系统行为的不可预测性。这些因素共同导致：实验结果难以归一、理论模型难以泛化，结构—性能之间难以建立稳定、可逆的映射关系，从而限制了电化学系统向“可预测、可优化、可转化”的设计范式迈进。如何在基础层面理解并统一这些时空异质行为，是长期未解的科学难题。

工作简介

在这一背景下，香港科技大学李丹教授团队聚焦于电化学系统中一个典型且关键的挑战—多时空尺度下的离子输运行为。团队以动态充放电条件下电吸附离子对电容性能的影响为核心问题，结合团队前期开发的结构清晰、尺度可调的多层石墨烯膜（MGM）模型多孔电极系统（Science 2013, 341, 534），系统揭示了纳米限域效应与电极介观结构如何协同调控离子迁移与扩散，并在此基础上提出了一个统一的性能标度框架，为数字化设计中的结构–性能建模提供了新的思路与范式示例。最近该团队先后在《Nature Nanotechnology》和《Advanced Materials》发表了两项研究成果：一项揭示了电极介观结构对电吸附动力学的显著调制作用；另一项建立了统一的跨尺度电容–速率标度关系，为器件性能预测提供了理论工具。这两项工作共同指向一个核心命题：电吸附行为构成了连接分子尺度机制与系统级性能的关键桥梁。

亮点解析

1 为什么选用多层石墨烯膜（MGM）作为模型系统？

• MGM具有可控纳米缝隙结构（1–10 nm），可模拟纳米限域中的电双层行为；
• 结构规则、可调，便于建模与跨尺度理论验证；
• 可实现从薄膜到厚电极的扩展，连接纳观机制与宏观性能。

图1 | 多层石墨烯膜电极的结构调控示意图。两种排布方式分别为对称结构（d₁–d₂–d₁）和交错结构（d₁/d₂交替），每个模块内缝隙尺寸均一致，用于研究结构顺序对电吸附与离子传输的影响。（引自Nat. Nanotechnol., Fig. 1b）。

2 如何展开研究？从微观机制到介观调控

在《Nature Nanotechnology》的工作中，研究团队发展了精确可调的电极结构，并引入时空分辨的Poisson–Nernst–Planck模型，系统分析：

• 电吸附离子如何影响电化学势梯度；
• 不同缝隙大小与排布如何在高速充电下产生介观异质性；
• 电流的迁移与扩散成分如何动态演化，最终影响电容输出。

在《Advanced Materials》的研究中，作者进一步提出了一项归一化定律，可将不同厚度、不同纳米结构的电极在动态工作条件下的性能，归一化到一条曲线。通过引入修正因子α(d)，这一模型准确捕捉了电吸附行为在纳米尺度下对离子传输效率的非线性增强作用，并在实验中得到了印证。

核心结论

• 电吸附离子显著影响动态离子分布与电势演化，是快充失效的关键原因之一；
• 存在最优缝隙尺寸和结构排布策略，可提升快充性能；
• 首次提出考虑电吸附离子调控作用的多尺度性能归一化关系，实现了不同电极结构间的性能统一描述；
• 实现了理论–实验–结构优化三者闭环，向“数字化设计”迈出关键一步。

挑战、展望

作者在论文中明确指出：尽管本研究提出了统一的性能标度框架，并验证了该方法在结构清晰的模型电极中的适用性，但要实现真正意义上的数字化设计，仍面临众多尚未解决的关键挑战。

首先，当前工作主要聚焦于离子输运过程，尤其是在纳米限域与电吸附主导下的动态响应。但在实际电化学系统中，界面反应动力学、溶剂效应、多离子组分的协同输运，以及材料的结构演化等过程同样起着重要作用，且与离子迁移行为密切耦合。这些因素往往具有各自的时空尺度，并共同决定器件在复杂工作条件下的性能表现。因此，未来亟需构建更具综合性的跨尺度建模与分析框架，实现多物理机制之间的动态协同表征。

其次，所采用的多层石墨烯膜（MGM）体系作为模型电极，其结构的高度可控性为揭示基础机制提供了理想平台，但与现实电极材料在结构复杂性和组分多样性上仍存在差距。如何将当前提出的统一标度方法推广到如活性碳以及电极复合体等工程化电极中，是模型向应用转化过程中的核心挑战。

此外，目前提出的归一化标度关系主要覆盖电容–扫描速率等性能维度。对于更全面的器件设计，还需进一步拓展至能量密度、功率密度、循环寿命等关键指标，并考虑温度、电解质环境等外部变量的影响。这一过程可能依赖更大的参数空间、更高维的数据结构与更复杂的非线性规律。

值得强调的是，这些挑战同时也意味着机遇。随着研究积累结构参数与性能响应的系统性数据，未来有望引入人工智能与数据驱动方法，结合机器学习模型建立更具泛化能力的结构–性能映射关系。通过高效识别关键变量、预测性能边界、辅助材料筛选与结构优化，进一步提升设计效率与可靠性。由此，有望推动电化学系统从“理解驱动”迈向“智能优化”，加速迈向真正意义上的数字化设计与闭环创新。

文献详情

Jinsha Liao, Peiyao Wang, Wen-Jie Jiang, Xiaoyang Du, Jefferson Zhe Liu, Dan Li. Unraveling the Impact of Electrosorbed Ions on the Scaling Behavior of Fast-Charging Dynamics of Nanoporous Electrodes Toward Digital Design of Iontronic Devices. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202506177

Peiyao Wang, Ke Zhang, Jinsha Liao, Xiao Wang, George P. Simon, Jefferson Zhe Liu, Dan Li. Mesoscale dynamics of electrosorbed ions in fast-charging carbon-based nanoporous electrodes. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-025-01947-8

作者简介

李丹教授现任香港科技大学化学与生物工程系讲座教授，2024年入选香港”杰出创科学人计划”（Global STEM Professorship）。在从澳大利亚墨尔本大学加入香港科大前，他作为澳大利亚“桂冠学者”（Australian Laureate Fellow）已建立国际知名的研究团队。作为材料科学和化学工程领域的顶尖学者，他还曾获中国教育部“长江学者”讲座教授等荣誉，并连续多年入选全球高被引科学家榜单。其团队在《Science》《Nature Nanotechnology》等国际顶尖期刊发表的系列突破性成果，不仅开创了石墨烯基软材料研究新方向，更在纳米离子学及离子基器件（iontronics）领域实现了范式创新，为该新兴学科奠定了关键理论基础并开辟了创新研究方法路径。

在香港科技大学新筹建的SMILE实验室（Soft Materials and Iontronics Laboratory of Excellence）将聚焦于电调控界面离子输运这一核心科学问题，通过融合纳米技术、材料科学、化学工程、电子工程与人工智能等多学科前沿方法，构建智能离子基材料与器件的新体系。实验室将重点发展高通量自动化实验平台、多尺度计算模拟与人工智能技术的深度融合，旨在应对全球性挑战，包括清洁能源存储与转化、智能医疗诊断、柔性电子与软体机器人核心材料、可持续水处理与低能耗离子分离技术等关键领域。

SMILE实验室秉持”全球视野、创新驱动”的研究理念，致力于从全球科技前沿和重大社会需求中凝练关键科学问题，构建基础发现-技术突破-应用转化的完整创新链条。通过深化国际合作网络、促进学科交叉融合、加强产学研协同，实验室将推动离子基功能材料在解决全球性挑战中的创新应用，为人类社会可持续发展提供科技支撑。