Advanced Energy Materials:阳离子晶格调控实现高性能卤化物固态电解质

全固态锂离子电池在传统锂离子电池的基础上进一步改善了电池的安全性并提升了能量密度,有望成为电动汽车、无人机、可穿戴电子设备等一系列新工业领域产品的下一代 “动力源”。全固态锂电池的核心组成部分——固态电解质需要兼顾高离子电导、电化学稳定性等材料性能,而当前的硫化物和氧化物固态电解质材料不仅种类数量有限,并且在电化学窗口窄、对正极材料界面兼容性差、在空气与潮湿环境下不稳定等方面面临诸多挑战。为此,以Li3YCl6和Li3YBr6为首的卤化物无机快离子导体材料逐渐成为固态电解质领域炙手可热的新星。

近期,美国马里兰大学莫一非教授课题组结合第一性原理计算和高通量筛选,系统地研究了含锂氯化物材料中的锂离子电导率及其诸多影响因素,发现阳离子排布和锂离子含量是影响氯化物锂离子电导率的主要原因,并以此出发提出了针对卤化物快离子导体材料的指导设计原理。该研究首先用基于密度泛函理论的分子动力学模拟计算,筛选出十余种氯化物快离子导体,进而通过对比高、低离子电导率的氯化物材料结构特征,发现锂离子含量、阳离子含量和阳离子亚晶格排布是影响氯化物材料中锂离子电导率的主要因素。基于这些影响因素,该研究组逆向设计了数种早期低离子电导的氯化物材料, 设计后的氯化物离子电导率大幅度提升。其研究结果表明以下三条设计原理在氯化物中有利于提升材料的锂离子电导率:(1)维持锂离子的八面体占据率在较低水平(40% – 60%之间);(2)减少材料中的阳离子含量;(3)分散材料中阳离子的亚晶格排布。

该团队通过第一性原理计算,系统地研究了已知含锂氯化物的锂离子电导率,提出并验证的设计原理有望为未来的卤化物固态快离子导体材料提供新指导思路。相关结果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002356)上。