研究背景
隨著儲能技術的不斷發展，全固態電池因其在安全性和能量密度方面的潛力，逐漸引起了科學界的廣泛關注。全固態電池的核心在于無機鋰超離子導體，這類材料能夠實現與傳統液態電解質相媲美的高效鋰離子傳導。然而，當前超離子導體面臨一些關鍵問題：一方面，現有材料能夠同時達到超離子導電性和滿足實際應用需求的數量非常有限；另一方面，這些材料在合成工藝、穩定性和成本方面也存在挑戰。此外，固態電解質還需要具備與其他電池組件的良好化學和機械穩定性，尤其是與正極材料的匹配性，以及應對充放電過程中體積變化的能力。為此，全球范圍內的科學家們致力于開發新型無機鋰超離子導體，并通過系統性和理性設計原則，來探索和優化不同晶體結構中的鋰離子傳輸機制。科學家們研究了離子在無機晶體中的擴散行為，特別是結構與化學因素如何在原子尺度上影響離子傳導。這些研究表明，超離子導體的離子導電性受到框架結構中鋰離子位置及其遷移通道的控制，同時化學摻雜和晶格缺陷的引入也對導電性有顯著影響。有鑒于此，加利福尼亞大學伯克利分校KyuJung Jun，Gerbrand Ceder等人在“Nature Reviews Materials”期刊上發表了題為“Diffusion mechanisms of fast lithium-ion conductors”的最新論文。本研究針對現有無機鋰超離子導體材料存在的導電性限制，提出了一種基于結構設計與化學調控相結合的策略。研究人員首先通過調整晶體框架的幾何特性，優化了鋰離子的遷移路徑，進而通過化學摻雜進一步降低了活化能，從而提高了材料的室溫離子導電性。最終，本研究不僅提升了現有材料的導電性能，還為未來開發新型超離子導體提供了理論依據和設計思路，有望推動全固態電池技術的進一步發展。
研究亮點
1. 綜述揭示了無機鋰超離子導體在全固態電池中的重要性，展示了其在快速離子傳輸中的關鍵作用。研究表明，無機固體導體可以在安全性和能量密度方面超越傳統液態電解質。2. 綜述通過分析結構和化學因素對離子導電性的影響，提出了一系列優化路徑。研究發現，離子導電性可以通過兩方面優化：首先，通過合理的結構設計實現高導電性，其次通過調整化學成分進一步提升導電性能。3. 結果顯示，鋰超離子導體的開發歷史表明了系統性設計的重要性。40多年的研究表明，通過深入理解材料的原子擴散機制，可以有效加速新材料的發現和優化。 4. 研究還表明，盡管目前的導體在某些性能上達到了一定的標準，但并沒有一種材料能夠滿足所有要求，這導致了實際應用中的挑戰。研究提出了未來研究應當通過系統設計加速導體材料的發現，以支持全固態電池的實現。
圖文解讀
圖1：在無機晶體材料中，控制鋰離子擴散的靜態結構因素。 圖 4 陰離子基團的旋轉運動，對鋰離子擴散的影響。圖6: 在增強離子電導率方面，各種設計原理的突破。
結論展望
本文的科學在于全固態電池技術的突破性潛力和無機鋰超離子導體在其中的核心作用。通過探索離子導電性的結構和化學因素，研究揭示了如何通過優化材料結構和設計化學成分來提升離子傳輸效率。盡管當前材料面臨諸多挑戰，但本文強調了創新策略的必要性，即結合結構設計和化學調整來開發新型超離子導體。這一過程不僅依賴于已有研究成果的積累，還需要引入新型實驗技術和計算模擬工具，以加速新材料的發現。通過這種系統化、戰略性的研究方法，科學家能夠有效地縮短材料開發周期，為下一代能源存儲技術提供理論依據和設計指導，推動全固態電池從實驗室走向實際應用。 Jun, K., Chen, Y., Wei, G. et al. Diffusion mechanisms of fast lithium-ion conductors. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00715-9
