研究背景
全固態鋰離子電池（ALSOLIBs）是一種新興的能源存儲技術，因其高安全性和能量密度而受到廣泛關注。然而，現有的固體電解質在室溫離子導電性和化學穩定性方面仍存在不足，限制了其大規模應用。為了解決這一挑戰，佐治亞理工學院陳海龍教授、美國馬里蘭大學材料科學與工程系Yifei Mo，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室Jue Liu等人攜手在Nature Chemistry期刊上發表了題為“Tuning collective anion motion enables superionic conductivity in solid-state halide electrolytes”的最新論文。研究人員深入探討了氯化物家族Li3MX6（M=Y, In, Sc等）作為固態電解質的潛力。研究表明，Li3YCl6中的超離子轉變是由陰離子的集體運動引起的，這一發現為材料的設計提供了新的思路。通過同步輻射X射線和中子散射技術的表征，結合第一性原理分子動力學模擬，科學家們成功合成了Li3YClxBr6?x和Li3GdCl3Br3，顯著提高了室溫導電性，分別達到了6.1和11mScm?1。這一系列研究不僅揭示了結構與性能之間的關系，也為高性能固態電池的開發提供了新的設計路徑。
研究亮點
（1）實驗首次揭示了氯化物家族Li3YCl6中的超離子轉變是由陰離子的集體運動引發的，采用同步輻射X射線和中子散射技術進行了系統表征。 （2）通過理性設計策略，成功合成了Li3YClxBr6?x和Li3GdCl3Br3，顯著降低了轉變溫度，分別達到了70°C和?10°C，并在室溫下獲得了高達6.1 mS cm?1和11 mS cm?1的離子導電率。 （3）研究結果表明，該類固態電解質在室溫下的導電性顯著提高，為全固態鋰離子電池的開發提供了新的思路。（4）本研究展示了通過深度的晶體結構表征來理解結構-性能關系，并為高性能固態電池的電解質材料設計開辟了新途徑。
圖文解讀
圖2：在不同溫度下，通過中子衍射（ND）模式生成的FDMs可視化LYC的離子導電性和鋰擴散路徑。 圖3：陰離子配體的集體運動及其對鋰離子擴散行為的影響。圖4：不同溫度下LYC的第一性原理分子動力學（AIMD）模擬。 圖5：在Li3YCl6?xBrx中激活a-b平面內的二維鋰離子擴散路徑。
結論展望
本文的研究揭示了氯化物固態電解質Li3YCl6中超離子轉變的機制，強調了陰離子集體運動在提升離子導電性中的重要性。這一發現不僅解釋了實驗結果與理論預測之間的差異，還為設計新型固態電解質提供了有效的策略。通過合理的材料設計，我們成功合成了Li3YClxBr6?x和Li3GdCl3Br3，分別實現了高達6.1mS cm?1和11 mS cm?1的室溫導電率。這表明，通過調控材料結構和轉變溫度，可以顯著改善離子導電性，為全固態鋰離子電池的商業化應用鋪平道路。此外，研究中使用的同步輻射X射線和中子散射技術，展示了先進表征手段在探索材料性質方面的重要性。未來，借助類似的理性設計策略，我們可以進一步開發具有更高性能的固態電解質，推動高能量密度和高安全性的下一代電池技術的發展。Liu, Z., Chien, PH., Wang, S. et al. Tuning collective anion motion enables superionic conductivity in solid-state halide electrolytes. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01634-6
