لقد ألهم ظهور المواد عالية الإنتروبيا استكشاف مواد جديدة في تقنيات متنوعة. في تخزين الطاقة الكهروكيميائية، أظهر التصميم عالي الإنتروبيا تأثيرات مفيدة على مواد البطاريات مثل قمع النظام غير المرغوب فيه على المدى القصير، وإحباط المناظر الطاقية، وتقليل التغير الحجمي، وتقليل الاعتماد على المعادن الحرجة. تتناول هذه التعليق تعريف واستخدام مصطلح “الإنتروبيا العالية” بشكل غير صحيح في سياق تصميم مواد البطاريات، وتبرز الخصائص الفريدة للمواد عالية الإنتروبيا في تطبيقات البطاريات، وتحدد التحديات المتبقية في التخليق، والتوصيف، والنمذجة الحاسوبية لمواد البطاريات عالية الإنتروبيا.

في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام متزايد بالمواد ذات الانتروبيا العالية بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الملحوظة التي لوحظت في سبائك الانتروبيا العالية. والمواد الخزفية بدأت دراسة مواد البطاريات ذات الانتروبيا العالية (HEBMs) مع تطوير أكاسيد المعادن ذات الانتروبيا العالية كأنودات لبطاريات أيون الليثيوم التي أظهرت سعة محسّنة واحتفاظاً أفضل. . ثم توسع هذا ليشمل الكاثودات عالية الانتروبيا من أيونات الليثيوم، التي تفوقت على المواد التجارية من حيث كثافة الطاقة وقدرة المعدل. مؤخراً، تم استكشاف المواد عالية الانتروبيا أيضاً لتطبيقاتها كإلكتروليتات صلبة لأيونات الليثيوم وأيونات الصوديوم، حيث أظهرت موصلية أيونية قابلة للمقارنة مع أفضل الموصلات الأيونية الصلبة، مع تقديم فوائد إضافية. .

بينما التقدم المحرز في مجال المواد عالية الإنتروبيا بما في ذلك HEBMs مثير، من الضروري استخدام مصطلح “الإنتروبيا العالية” بشكل صحيح وتعميق فهمنا للعلاقة الأساسية بين الإنتروبيا والخصائص المحسنة الملاحظة. لدفع تطوير المواد عالية الإنتروبيا كبدائل مفيدة للمواد التقليدية في البطاريات وغيرها من التقنيات المتقدمة، من الضروري إحراز تقدم في التركيب، والتوصيف، والنمذجة الحاسوبية. يجب متابعة هذه المجالات البحثية بنشاط للتغلب على التحديات الحالية واستغلال الإمكانيات الكاملة لـ HEBMs.

تم اقتراح المواد عالية الانتروبيا في البداية كمواد أحادية الطور تتكون من خمسة مكونات أو أكثر بتراكيز قريبة من المتساوي مع زيادة كبيرة في الانتروبيا التكوينية. . تم تطبيق هذا المفهوم في الأصل على سبائك المعادن، حيث أن السبائك التي تحتوي على
إنتروبيا التكوين المثالية ( أكبر من أو يساوي ( تُصنف على أنها “سبائك عالية الانتروبيا” (HEAs) . درست الدراسات اللاحقة سبائك مقاومة للحرارة تحتوي على أربعة مكونات (قريبة) متساوية المول، مرتبطة بـ من كمواد HEAs مقاومة .

عند تطبيق مفهوم “الانتروبيا العالية” على HEBMs حيث توجد عدة شبكات فرعية، فإن القيمة المبلغ عنها لـ يمكن أن يكون مضللاً إذا لم يتم تحديد الوحدة. قيمة مرتبط بمرجع التطبيع، مثل وحدة الصيغة، جميع الذرات، الكاتيونات، الأنيونات، شبكة فرعية محددة، أو موقع ويكوف محدد على سبيل المثال، أكسيد معدن الليثيوم بتكوين افتراضي ، حيث يتم توزيع خمسة مكونات متساوية المول بشكل عشوائي على موقع A، لديه من لكل موقع A أو لكل وحدة صيغة، لكل كاتيون، و لكل ذرة.

من المهم أن نلاحظ أن المصطلحات “الانتروبيا العالية” و”متعددة المكونات” و”المعقدة تركيبياً” ليست دائماً قابلة للتبادل. إن كون المادة “متعددة المكونات” أو “معقدة تركيبياً” لا يعني بالضرورة وجود انتروبيا عالية، حيث أن الانتروبيا التكوينية تتعلق ليس فقط بعدد المكونات المختلطة ولكن أيضاً بنسبها. تحت ظروف الخلط المثالية حيث يتم توزيع المكونات بشكل عشوائي، يتم حساب الانتروبيا التكوينية بواسطة

أين يمثل الكسر المولي للمكون في موقع الخلط. كمثال، استبدال مواقع الكاتيونات لمادة تحتوي على عشرة مكونات متساوية المول (كل منها يمتلك ) سيؤدي إلى من لكل موقع كاتيون، محسوب من

على الرغم من وجود أحد عشر مكونًا في مواقع الكاتيون، فإن الإنتروبيا التكوينية المثالية لهذا المادة أقل حتى من تلك الخاصة بسبائك ثلاثية متساوية التركيز ذات “إنتروبيا متوسطة”. ). لاحظ أن أحد المواد التقليدية للكاتود المتعدد الطبقات، (NMC532) يحتوي على لكل موقع من المعادن الانتقالية. وبالتالي، فإن المواد التي تحتوي على مكونات متعددة ولكنها منخفضة يجب ألا يتم تصنيفها كـ “مواد عالية الانتروبيا” على الرغم من أن الإنتروبيا قد تلعب دورًا مهمًا في هذه المواد، فإن المصطلح الأكثر دقة سيكون “المواد المضافة المشتركة” أو “المواد متعددة المكونات”.

علاوة على ذلك، يمكن أن تختلف الأنواع السائدة من الإنتروبيا بشكل كبير عبر أنظمة مختلفة. في المحاليل الصلبة البلورية، تظهر الإنتروبيا التكوينية عادة كالمساهم الرئيسي في استقرار الطور. ومع ذلك، كما كشف عنه إسترز وآخرون. يمكن أن تلعب الإنتروبيا الاهتزازية أيضًا دورًا حيويًا في التأثير على استقرار مواد ذات إنتروبيا عالية محددة مثل الكربيدات ذات الإنتروبيا العالية. في البوليمرات، تدخل عوامل إنتروبيا إضافية مثل إنتروبيا التشكيل في الاعتبار. . في الأنظمة السائلة مثل الإلكتروليتات المائية أو السائلة ، إنتروبيا مثل إنتروبيا الاهتزاز، الدورانية

قد تهيمن الإنتروبيا، أو إنتروبيا الانتقال، أو إنتروبيا التجويف على النظام لذلك، من المهم لتحديد دقيق لمصطلح “الانتروبيا العالية” أن يتم تحديد المساهمات الانتروبيا المحددة التي تتعلق بالأنظمة المعينة التي يتم فحصها.

تُعرف المواد عالية الانتروبيا بشكل أساسي باستقرارها الطوري المعزز الناتج عن القيمة العالية لانتروبيا الخلط مقارنةً بالمواد التقليدية. عند تطبيقها في تطبيقات البطاريات، فإن التحسينات في تشكيل النظام قصير المدى، ومشهد الطاقة، والتغير الحجمي، والتنوع الكيميائي تجعل المواد عالية الانتروبيا ذات قيمة خاصة. تم تلخيص المزايا المحددة للمواد عالية الانتروبيا في الشكل 1.

يمكن أن يؤدي غياب العناصر الرئيسية في المواد عالية الانتروبيا إلى تعطيل تشكيل بيئة تنسيق سائدة، مما يخلق بدلاً من ذلك مجموعة متنوعة من البيئات المحلية. لقد أظهرت الأبحاث أن هذه الخاصية يمكن أن تقلل بشكل كبير من النظام قصير المدى الذي يمكن أن يضر بالأداء الكهروكيميائي، مما يسمح لمواد HEBMs بتحقيق زيادة في السعة وقدرة المعدل مع مواد الكاثود. مواد كاثود عالية الانتروبيا في هيكل ملحي غير منظم. ، الذي يحتوي على لكل كاتيون، حقق سعة عالية وقدرة على المعدل تتفوق على المواد الكاثودية التجارية .

تظهر المواد ذات الانتروبيا العالية أيضًا تحملًا أكبر لتشوهات الشبكة مقارنة بالمواد ذات الانتروبيا المنخفضة، مما يسمح باضطراب كبير في مشهد الطاقة لتشتت الأيونات. رعاية-

يمكن أن تخلق التشوهات الشبكية المصممة بالكامل مسارات انتشار متخللة، مما يمكّن من زيادة كبيرة في الموصلية الأيونية كما تم إثباته في البداية في المواد القائمة على أكسيد عالي الانتروبيا. . تم ملاحظة هذه الظاهرة بشكل أكبر في الأرجيروديتات القائمة على الكبريتيد .

تقدم الطبيعة غير المنظمة بشكل كبير للمواد الهجينة عالية الطاقة (HEBMs) أيضًا نهجًا جديدًا للتحكم في تغيير الأبعاد في أقطاب البطاريات أثناء الشحن والتفريغ. تعاني العديد من مواد الأقطاب من تغير حجمي كبير أثناء إدخال واستخراج المعادن القلوية. وقد وجد الباحثون أن الفوضى يمكن أن تخفف من هذه التغيرات الحجمية من خلال زيادة التماثل، مما يحسن من احتفاظ السعة. لقد أظهر التلاعب بمكونات متعددة في مواد الكاثود ذات الهيكل الطبقي أيضًا أداءً كيميائيًا كهربائيًا معززًا. بينما استخدام مصطلح “الانتروبيا العالية” للمواد المركبة المدعمة متعددة المكونات التي لا تظهر ارتفاعًا في قابل للنقاش، فإن استكشاف واستخدام مواد الأقطاب متعددة المكونات يبرز أهمية الاستفادة من الفوائد التي تقدمها.

لا تعتمد الأداء المحسن لمواد الكاثود عالية الانتروبيا على وجود عناصر معينة، بل على التجمع الجماعي لعدة عناصر. وهذا يوفر فرصًا لتطوير مواد بطارية أكثر استدامة وسهولة في الوصول إليها. على سبيل المثال، يُعزى الأداء المحسن الذي توفره مواد كاثود الصخور المالحة غير المرتبة عالية الانتروبيا بشكل أساسي إلى البيئات المحلية المتنوعة التي تقمع النظام قصير المدى. . وبالتالي، فإن أي عنصر في هذه المواد يمكن استبداله أساسًا طالما تم تقليل الترتيبات القصيرة المدى غير المرغوب فيها، كما هو موضح في التركيب-

يسبب كسر بين الحبيبات في مواد الكاثود التقليدية ذات الطبقات و (د) تقليل الاعتماد على المعادن الحرجة مقارنة بمواد البطاريات التقليدية (على سبيل المثال، يتم استخدام النيكل والكوبالت بشكل كبير في مواد الكاثود التجارية). توضح الرسوم التوضيحية الذرية ترتيب الذرات المتنوعة في هيكل موصل سوبر أيوني للصوديوم (NASICON) في (ب) وهيكل ملح الصخور غير المنظم (DRX) في (د). تم إعادة طباعة اللوحة (أ) بإذن من SNCSC. . اللوحة (ب) معدلة بإذن من AAAS . اللوحة (ج) معدلة بإذن من إلسفير .

توجهات بدون نيكل ونسبة 5% فقط من الكوبالت لكل موقع معدن انتقالي، مما يختلف عن الأقطاب السالبة التقليدية التي تعتمد بشكل كبير على هذين المعدنين الحيويين. تقدم هذه النتيجة رؤى قيمة لتطوير مواد أقطاب سالبة خالية من الكوبالت والنيكل، مما يعالج قضية حاسمة في صناعة السيارات الكهربائية. فيما يتعلق بالكهارل الصلبة، فإن الأداء المحسن للمواد ذات الانتروبيا العالية لا ينشأ من عناصر محددة، بل يعتمد بدلاً من ذلك على المستوى المرغوب من تشوه الشبكة. على عكس مواد الإلكتروليت الصلبة ذات الانتروبيا المنخفضة التي تتطلب عادةً عناصر ذات أشعة أو هياكل إلكترونية محددة توفر المواد عالية الانتروبيا مرونة أكبر حيث يمكن استخدام عناصر متعددة بأحجام أيونية مميزة بسهولة. يبرز هذا الجانب إمكانيات المواد عالية الانتروبيا كاستراتيجية تصميم لتقليل الاعتماد على المعادن الحرجة في تقنيات البطاريات، خاصة مع تحسن فهمنا لعلاقة التركيب-الهيكل-الخصائص.

التركيب. يشكل تركيب HEBMs تحديات كبيرة بسبب العدد الهائل من التركيبات الممكنة في فضاء التركيب عالي الأبعاد. إن الطرق التقليدية القائمة على التجربة والخطأ أو التعداد بالقوة الغاشمة غير عملية لاستكشاف مساحة التصميم الكبيرة هذه، مما يجعل التصميم الاصطناعي صعبًا. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي وجود عناصر متعددة في المواد عالية الانتروبيا إلى تواجد العديد من المركبات الوسيطة والمنتجات الثانوية، مما يعقد تحديد الأطوار وفهم مسارات التفاعل التي تعتبر حاسمة لتصميم المركبات المستهدفة وتحسين إجراءات التخليق. في سياق HEBMs، تعتمد خصائصها ليس فقط على التركيب العام والهياكل الكلية ولكن أيضًا على الترتيب المحلي والبيئات التي تكون حساسة للظروف التجريبية. لذلك، فإن التحكم الدقيق في ظروف التخليق مثل درجة حرارة التسخين، ومدة التلدين، ومعدل التبريد أمر ضروري للتحكم في الخصائص. إن تنفيذ أدوات تخليق متقدمة، مثل التجارب عالية الإنتاجية وتدفق العمل المدفوع بالذكاء الاصطناعي، يحمل إمكانيات كبيرة لمعالجة هذه التحديات في التخليق. يمكن أن تستفيد المختبرات المستقلة التي تدمج الروبوتات، والتجارب عالية الإنتاجية، وعوامل الذكاء الاصطناعي بشكل أكبر من تطوير المواد عالية الانتروبيا من خلال تمكين التكرارات الفعالة بين التصميم الاصطناعي والتنفيذ في حلقة مغلقة. .

التوصيف. يتطلب تقدم المواد المركبة عالية الأداء (HEBMs) استخدام تقنيات توصيف متطورة يمكنها تحليل عناصر متعددة بتركيزات منخفضة. تصبح هذه المهمة صعبة بشكل خاص عندما تظهر العناصر تشابهات تعيق التمييز باستخدام الأساليب المجهرية أو الطيفية التقليدية. علاوة على ذلك، تتضمن مبادئ التصميم الناشئة للمواد المركبة عالية الأداء توزيع الترتيب المحلي والانحرافات في أطوال الروابط على المقياس الذري. ومع ذلك، فإن توصيف هذه الميزات على المقياس الذري لا يزال يمثل تحديًا حتى مع الأدوات المتقدمة. يتطلب التحليل الدقيق والفهم العميق للمواد المركبة عالية الأداء تطوير تقنيات توصيف مبتكرة أو تحسينات على الأساليب الحالية. ستلعب هذه التقنيات دورًا حاسمًا في تعزيز فهمنا للمواد المركبة عالية الأداء، مما يمكّن من التحكم الدقيق في خصائصها.

النمذجة الحاسوبية. لقد وفرت أدوات العلوم الحاسوبية والبيانات طرقًا فعالة “في السليكو” لاستكشاف مواد البطاريات. من المهم ملاحظة أن التحديات لا تزال قائمة عند تطبيق هذه الأدوات على المواد عالية الانتروبيا. في سياق المواد عالية الإنتاجية
تزداد مساحة التركيب بشكل أسي مع عدد العناصر المشاركة. بينما قد يتطلب تقييم قابلية التركيب للمواد التقليدية ذات الانتروبيا المنخفضة بضع آلاف من الحسابات لاستنفاد الجدول الدوري. يمكن أن يتوسع الفضاء التكويني للمواد عالية الانتروبيا بسهولة ليشمل ملايين أو مليارات التركيبات، متجاوزًا قدرات طرق الفحص عالية الإنتاجية الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تزداد الأطوار المتنافسة المحتملة للمواد عالية الانتروبيا بشكل تركيبي. بينما تشمل الأكاسيد الثلاثية المستخدمة في البطاريات عادةً أكاسيد ثنائية متنافسة، وطورًا عنصريًا، وأشكالًا متعددة. تقدم HEBMs مجموعة أوسع من الأطوار المتنافسة، بما في ذلك الأطوار المرتبة وتركيبات غير محدودة من الحلول الصلبة ذات الانتروبيا التكوينية المنخفضة وانثالبي الخلط المنخفض.

تقييم إمكانية تصنيع المواد عالية الانتروبيا يتطلب النظر في كل من مكاسب الانتروبيا التكوينية التي تقلل من الطاقة الحرة، والإنثالبي المختلط الإيجابي، الذي يزيدها. عند خلط مكونات ذات أحجام أو هياكل إلكترونية مختلفة بشكل كبير، قد يكون الإنثالبي المختلط المقابل مرتفعًا جدًا بحيث لا يمكن تعويضه بمكاسب الانتروبيا، مما يجعل تصنيعها غير عملي. بالإضافة إلى ذلك، ستنحرف الانتروبيا التكوينية الفعلية عن الانتروبيا التكوينية المثالية عندما لا تكون توزيع المكونات عشوائية بالكامل أو قريبة من العشوائية الكاملة، وهو ما تم رؤيته في مواد أقطاب البطاريات أو الإلكتروليتات التي تظهر فيها ترتيب قصير المدى. يتطلب حساب الإنتروبيا التكوينية الفعلية عينات ميكانيكية إحصائية أكثر تقدمًا. .

فيما يتعلق بعلم البيانات، تواجه دراسة المواد عالية الانتروبيا تحديات بسبب نقص مجموعات البيانات الفعالة والخوارزميات الدقيقة بما فيه الكفاية للتنبؤ. تعتبر قواعد بيانات جينوم المواد الرائدة، مثل مشروع المواد أفلو نوماد مارفل تحتوي على بيانات محدودة حول المواد عالية الانتروبيا (AFlow يقدم مجموعة بيانات من الكربيدات عالية الانتروبيا ) ولا توجد بيانات عن HEBMs. وهذا يبرز الحاجة إلى إنشاء مجموعات بيانات جديدة لتسهيل البحث حول HEBMs. علاوة على ذلك، فإن النطاق الطاقي الحرج لـ HEBMs عادة ما يقع ضمن ذرة، والتي تكون قريبة من أو أقل من متوسط الجذر التربيعي للأخطاء (RMSE) أو متوسط الأخطاء المطلقة (MAE) لأكثر نماذج التعلم الآلي العالمية تقدمًا في هذا المجال . هذا النطاق الضيق من الطاقة ( الذرة ) تنشأ بشكل أساسي من عاملين: 1) مساهمة (على سبيل المثال، ذرة لمركب بصيغة عند 1000 كلفن) و 2) الفرق في الطاقة بين الهياكل المحلية المختلفة عادة ما يقع ضمن ذرة تتطلب هذه العوامل مزيدًا من التقدم في بناء مجموعات البيانات وتحسين خوارزميات علم البيانات لتعزيز فهمنا للمواد ذات البنية المعقدة وتحسين خصائصها.

توسيع تطبيقات HEBMs. لقد تم دراسة HEBMs بشكل أساسي كأقطاب كهربائية وإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم أيون، مع استكشاف محدود في أنظمة الصوديوم أيون. تعد الخصائص الفريدة الناتجة عن تصميم عالي الانتروبيا واعدة لتقنيات البطاريات المتنوعة. على وجه الخصوص، يمكن أن يسهم تحسين نقل الأيونات من خلال التحكم في الفوضى في بطاريات HEBM في معالجة تحدي انخفاض حركة الأيونات في البطاريات متعددة التكافؤ مثل بطاريات أيونات المغنيسيوم وأيونات الكالسيوم. . علاوة على ذلك، تقدم HEBMs حلولًا محتملة للبطاريات تتجاوز الأنظمة المعتمدة على التداخل. في بطاريات Li-S و Li-air، حيث تتطلب المكونات المختلفة خصائص مميزة، يمكن أن تساهم HEBMs في تعزيز الموصلية الأيونية. وأداء التحفيز من خلال دمج الرؤى في الموصلات الأيونية عالية الانتروبيا والتطورات الأخيرة في المحفزات عالية الانتروبيا من المتوقع ظهور مبادئ تصميم جديدة. هذه المبادئ تحمل القدرة على دفع الابتكار.

يؤثر بشكل كبير على مشهد تقنيات البطاريات ويسهل التقدم في المجالات العلمية ذات الصلة.

قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية، جامعة ولاية فلوريدا، تالاهاسي، فلوريدا 32304، الولايات المتحدة الأمريكية. قسم علوم المواد، مختبر لورانس بيركلي الوطني، بيركلي، كاليفورنيا 94720، الولايات المتحدة الأمريكية.
البريد الإلكتروني:bouyang@fsu.edu; zeng@chem.fsu.edu
تاريخ الاستلام: 15 يونيو 2023؛ تاريخ القبول: 20 يناير 2024؛
نُشر على الإنترنت: 01 فبراير 2024

ب.أ. يقر بالدعم من تمويل الشركات الناشئة من جامعة ولاية فلوريدا.

كتب وراجع ب.أ. و ي.ز. المخطوطة.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى بين أويانغ أو يان زينغ.
معلومات مراجعة الأقران تشكر مجلة ناتشر كوميونيكيشنز بن بريتونغ، شياوك مو، تشينغلونغ تشاو والمراجعين المجهولين الآخرين على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل.

معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة على
http://www.nature.com/reprints
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح إذا ما تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024

The emergence of high-entropy materials has inspired the exploration of novel materials in diverse technologies. In electrochemical energy storage, high-entropy design has shown advantageous impacts on battery materials such as suppressing undesired short-range order, frustrating energy landscape, decreasing volumetric change and reducing the reliance on critical metals. This comment addresses the definition and potential improper use of the term “high entropy” in the context of battery materials design, highlights the unique properties of highentropy materials in battery applications, and outlines the remaining challenges in the synthesis, characterization, and computational modeling of high-entropy battery materials.

In recent years, there has been a growing interest in high-entropy materials attributed to their remarkable physical and chemical properties observed in high-entropy alloys and ceramic materials . The study of high-entropy battery materials (HEBMs) started with the development of high-entropy metal oxides as Li-ion battery anodes that exhibited improved capacity and retention . This has then expanded to include high-entropy Li-ion cathodes, which outperformed commercialized materials in terms of energy density and rate capability . More recently, high-entropy materials have also been explored for their applications as Li -ion and Na -ion solid electrolytes, showing ionic conductivities comparable to the best-performing solidstate ion conductors while offering additional benefits .

While the progress made in the field of high-entropy materials including HEBMs is exciting, it is crucial to apply the term “high entropy” correctly and to deepen our understanding of the fundamental relationship between entropy and the enhanced properties observed. To propel the development of high-entropy materials as advantageous alternatives to traditional materials in batteries and other advanced technologies, it is imperative to make advancements in synthesis, characterization, and computational modeling. These areas of research need to be pursued vigorously to overcome existing challenges and fully exploit the potential of HEBMs.

High-entropy materials were initially proposed as single-phase materials consisting of five or more components in (near)equimolar concentrations with a substantial increase in configurational entropy . This concept was originally applied to metal alloys, where alloys with an
ideal configurational entropy ( ) equal to or greater than ( being the Boltzmann constant) are categorized as “high-entropy alloys” (HEAs) . Later studies have considered refractory alloys with four (near)equimolar components, associated with an of , as refractory HEAs .

When applying the concept of “high entropy” to HEBMs where multiple sublattices exist, the reported value of can be misleading if the unit is not specified. The value of is correlated to the normalization reference, such as by formula unit, all atoms, cations, anions, a specific sublattice, or a specific Wyckoff position . For example, a Li metal oxide with a hypothetical composition , where five equimolar components are randomly distributed on the A-site, has an of per A-site or per formula unit, per cation, and per atom.

It is important to note that terms “high entropy”, “multicomponent”, and “compositionally complex” are not always interchangeable. Only being “multicomponent” or “compositionally complex” does not necessarily imply high entropy, as the configurational entropy relates not only to the number of mixed components but also their proportions. Under ideal mixing conditions where components are randomly distributed, the configurational entropy is calculated by

where represents the mole fraction of component on the site of mixing. As an example, substituting of the cation sites of a material with ten different equimolar components (each having ) would result in an of per cation site, calculated from

Although having eleven components on the cation sites, the ideal configurational entropy of this material is even lower than that of a “medium entropy” equimolar ternary alloy ( ). Note that one of the traditional layered cathode materials, (NMC532), has an per transition metal site. Thus, materials with multiple components but low should not be categorized as “high-entropy materials” . Even though entropy may still play an important role in these materials, a more precise terminology would be “co-doped” or “multicomponent” materials.

Furthermore, the predominant types of entropy can vary significantly across different systems. In crystalline solid solutions, configurational entropy typically presents as the primary entropic contributor to phase stability. However, as revealed by Esters et al. , vibrational entropy can also play a vital role in influencing the stability of specific high-entropy materials such as high-entropy carbides. In polymers, additional entropic factors such as conformational entropy come into play . In liquid systems such as aqueous or liquid electrolytes , entropies such as vibrational entropy, rotational

entropy, translational entropy, or cavity entropy may dominate the system . Therefore, for precise use of the term “high entropy”, it is important to specify the specific entropic contributors that are relevant to the particular systems being examined.

High-entropy materials are mostly recognized for their enhanced phase stability resulting from the high value of mixing entropy compared to traditional materials. When applied to battery applications, enhancements in tailoring short-range order, energy landscape, volumetric change, and chemical versatility make high-entropy materials particularly valuable. The identified advantages of HEBMs are summarized in Fig. 1.

The absence of principal elements in high-entropy materials can disrupt the formation of a dominant coordination environment, instead creating a diverse ensemble of local environments. Research has demonstrated that this characteristic can significantly reduce the short-range order that can harm electrochemical performance, therefore allowing HEBMs to achieve increased capacity and rate capability with cathode materials . A prototype high-entropy cathode material in a disordered rocksalt structure, , which has per cation, achieved high capacity and rate capability that outperform commercialized cathode materials .

High-entropy materials also exhibit a higher tolerance of lattice distortions compared to low-entropy materials, which allows for substantial perturbation on the energy landscape for ion diffusion. Care-

fully engineered lattice distortions can create percolating diffusion pathways, enabling orders of magnitude increase in ionic conductivities as initially demonstrated in high-entropy oxide-based materials . This phenomenon was further observed in sulfide-based argyrodites .

The highly disordered nature of HEBMs also offers a novel approach to control dimensionality change in battery electrodes during charge and discharge. Many electrode materials experience significant volumetric change during the insertion and extraction of alkali metals. Researchers have found that disordering can mitigate these volumetric changes by increasing isotropicity, hence improving the capacity retention . Doping with multiple components to layered structured cathode materials has also shown enhanced electrochemical performance . While the use of the term “high entropy” for multicomponent-doped compounds that do not exhibit high is debatable, the exploration and utilization of multicomponent electrode materials underline the importance of leveraging the benefits they offer.

The improved performance of HEBMs does not rely on the presence of particular elements but rather on the collective ensemble of multiple ones. This offers opportunities for the development of more sustainable and accessible battery materials. For instance, the improved performance provided by the high-entropy disordered rocksalt cathode materials is primarily attributed to the diverse local environments that suppress short-range order . Thus, any element in these materials is essentially replaceable as long as the undesired short-range orders are reduced, which is demonstrated in composi-

causes intergranular fracture in conventional layered cathode materials and (d) reduced reliance on critical metals as compared to conventional battery materials (e.g., Ni and Co are heavily used in commercialized cathode materials). The atomic illustrations show the arrangement of diverse atoms in a Na-superionic conductor (NASICON) structure in (b) and a disordered rocksalt (DRX) structure in (d). Panel (a) reprinted with permission from SNCSC . Panel (b) adapted with permission from AAAS . Panel (c) adapted with permission from Elsevier .

tions without nickel and only 5% atomic fraction of cobalt per transition metal site, diverging from conventional battery cathodes that heavily rely on these two critical metals. This finding offers valuable insights for the development of cobalt and nickel-free cathode materials, addressing a critical concern in the electric vehicle (EV) industry . In terms of solid electrolytes, similarly, the enhanced performance of high-entropy materials does not stem from specific elements but rather depends on the desired level of lattice distortion . In contrast to low-entropy solid electrolyte materials that typically require elements with specific radii or electronic structures , highentropy materials offer more flexibility as multiple elements with distinct ionic radii can be readily utilized. This aspect highlights the potential of high-entropy materials as a design strategy to reduce reliance on critical metals in battery technologies, particularly as our understanding of the composition-structure-property relationship improves.

Synthesis. Synthesis of HEBMs poses significant challenges due to the vast number of possible compositions in high-dimensional composition space . Conventional trial-and-error methods or brute-force enumeration are impractical for exploring such a large design space, making synthetic design difficult. Furthermore, the presence of multiple elements in high-entropy materials can lead to the coexistence of many intermediate compounds and byproducts, complicating phase identification and the understanding of reaction pathways that are critical to design target compounds and to improve synthesis procedures . In the context of HEBMs, their properties depend not only on the overall compositions and the bulk structures but also on the local ordering and environments that are sensitive to experimental conditions . Therefore, careful control over synthesis conditions such as heating temperature, annealing time, and cooling rate is essential for property control. Implementing advanced synthesis tools, such as high-throughput experimentation and AI-driven workflow, holds great potential to address these synthesis challenges. Autonomous laboratories that integrate robotics, high-throughput experimentation and AI agents can further benefit the development of high-entropy materials by enabling efficient iterations between synthetic design and execution in closed-loop .

Characterization. The advancement of HEBMs necessitates the utilization of sophisticated characterization techniques that can analyze multiple elements at low concentrations. This task becomes particularly challenging when elements exhibit similarities that hinder differentiation using conventional microscopic or spectroscopic approaches. Furthermore, the emerging design principles for highperformance HEBMs involve the distribution of local ordering and deviations in bond lengths at the atomic scale. However, characterizing these atomic-scale features remains a challenge even with the frontier instruments. Accurate analysis and in-depth understanding of HEBMs require the development of innovative characterization techniques or enhancements to existing methods. These techniques will play a crucial role in advancing our understanding of HEBMs, enabling precise control of their properties.

Computational modeling. Computational and data science tools have provided efficient “in-silico” approaches to explore battery materials. It is important to note that challenges persist when applying these tools to high-entropy materials. In the context of high-throughput materials
screening, the compositional space grows exponentially with the number of participating elements. While evaluating synthesizability for traditional low-entropy materials may require a few thousand calculations to exhaust the periodic table , the compositional space of high-entropy materials can easily scale up to millions or billions of compositions, surpassing the capabilities of current high-throughput screening methods. Additionally, the potential competing phases for high-entropy materials increase combinatorially. While ternary oxides used in batteries typically involve competing binary oxides, elemental phases, and polymorphs , HEBMs introduce a more extensive range of competing phases, including ordered phases and infinite combinations of solid-solutions with lower configurational entropy and lower mixing enthalpy.

Evaluating the synthetic accessibility of high-entropy materials necessitates considering both the configurational entropy gain that reduces free energy, and the positive mixing enthalpy, which increases it. When mixing components with substantially different size or electronic structure, the corresponding mixing enthalpy might be too excessive to be compensated by the entropy gain, making their synthesis impractical. Additionally, the actual configurational entropy will deviate from the ideal configurational entropy when the distribution of components is not fully or close to fully random, which have been seen in battery electrode or electrolyte materials in which shortrange order presents . The calculation of the actual configurational entropy requires more advanced statistic mechanical sampling .

In terms of data science, the study of high-entropy materials faces challenges due to the lack of effective datasets and sufficiently accurate algorithms for prediction. Leading materials genome databases, such as the Materials Project , AFlow , NOMAD , MARVEL , contain limited data on highentropy materials (AFlow reports a dataset of highentropy carbides ) and no data on HEBMs. This highlights the need to establish new datasets to facilitate research on HEBMs. Moreover, the critical energy range for HEBMs typically falls within atom, which is close to or lower than the root mean square errors (RMSE) or mean absolute errors (MAE) of the most advanced global machine learning models in this field . This narrow energy range ( atom ) primarily arises from two factors: 1) the contribution of (e.g., atom for a compound with formula at 1000 K ) and 2) the energy difference between various local structures usually lies within atom . These factors necessitate further advancements in building datasets and improving data science algorithms to further our understanding of HEBMs and optimize their properties.

Expanding HEBMs applications. HEBMs have been predominately studied as Li-ion electrodes and electrolytes, with limited exploration in Na-ion systems . The unique properties stemming from the highentropy design hold promises for diverse battery technologies. Specifically, enhancing ion transport through controlling disordering in HEBMs can address the low ion mobility challenge in multivalent batteries such as Mg -ion and Ca -ion batteries . Furthermore, HEBMs offer potential solutions for batteries beyond the intercalation-based systems. In Li-S and Li-air batteries, where various components necessitate distinct properties, HEBMs can contribute to enhancing ionic conductivity and catalytic performance . By integrating the insights into highentropy ionic conductors and the recent advancements in high-entropy catalysts , emerging design principles are anticipated. These principles hold the potential to drive innovation,

significantly impacting the landscape of battery technologies and facilitating advancements in related scientific domains.

Department of Chemistry and Biochemistry, Florida State University, Tallahassee, FL 32304, USA. Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA.
e-mail: bouyang@fsu.edu; zeng@chem.fsu.edu
Received: 15 June 2023; Accepted: 20 January 2024;
Published online: 01 February 2024

B.O. acknowledges support from the startup funding from Florida State University.

B.O. and Y.Z. wrote and reviewed the manuscript.

The authors declare no competing interests.

Correspondence and requests for materials should be addressed to Bin Ouyang or Yan Zeng.
Peer review information Nature Communications thanks Ben Breitung, Xiaoke Mu, Chenglong Zhao and the other anonymous reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.

Reprints and permissions information is available at
http://www.nature.com/reprints
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024