業(yè)界普遍認(rèn)為全固態(tài)鋰離子電池將成為下一代鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的安全性、能量密度和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。全固態(tài)鋰離子電池的核心組成部分便是固體無機(jī)快離子導(dǎo)體，然而好的固體電解質(zhì)材料需要兼具高離子電導(dǎo)、電子絕緣、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、界面穩(wěn)定性等特點(diǎn)，這些要求使得進(jìn)一步發(fā)展新的無機(jī)快離子導(dǎo)體材料和全固態(tài)鋰離子電池充滿挑戰(zhàn)。

?近日，美國馬里蘭大學(xué)材料系莫一非教授研究組通過第一性原理計(jì)算研究了基于鹵族的無機(jī)快鋰離子導(dǎo)體，提出并證實(shí)了氯化物、溴化物作為快離子導(dǎo)體同時(shí)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和高離子電導(dǎo)，是極具潛力的下一代固態(tài)電解質(zhì)材料。基于密度泛函理論的模擬計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)研究了松下公司近期報(bào)道的Li3YCl6和Li3YBr6兩種材料，并且從理論上確認(rèn)了這些材料具有高的離子電導(dǎo)率、較寬的電化學(xué)窗口（0.6～4.2 V）、以及與層狀氧化物正極界面的良好兼容性。在此基礎(chǔ)上，他們通過進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)鹵化物的陰離子晶格本征地具有低的鋰離子遷移勢(shì)壘。不同于傳統(tǒng)氧化物、硫化物快離子導(dǎo)體的設(shè)計(jì)原則，鹵族化合物不需要體心立方陰離子框架結(jié)構(gòu)與協(xié)同躍遷的輸運(yùn)模式，也能具有較低的鋰離子躍遷勢(shì)壘。這為進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型固態(tài)快離子導(dǎo)體提供了指導(dǎo)。

此外，全固態(tài)鋰電池的另一關(guān)鍵技術(shù)問題就是固體電解質(zhì)與電極之間的界面兼容性和穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)Materials Project數(shù)據(jù)庫中含鋰三元鹵化物的計(jì)算發(fā)現(xiàn)氯化物和鹵化物大多具有較寬的電化學(xué)窗口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4V電池電壓的覆蓋。且氯化物和溴化物與廣泛使用的正極材料LiCoO2展現(xiàn)出良好的界面兼容性。氯離子良好的抗氧化性可以有效抑制與正極材料在脫鋰過程中發(fā)生的分解副反應(yīng)。松下公司近期報(bào)道基于Li3YCl6和Li3YBr6組裝的全固態(tài)電池在沒有涂層保護(hù)的情況下展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高庫倫效率也證實(shí)了鹵化物固態(tài)電解質(zhì)良好的界面穩(wěn)定性這一特性，且該類材料良好的可加工柔性也有利于進(jìn)一步增強(qiáng)電極/電解質(zhì)接觸面積，減少界面阻抗。

該團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算方法提出并證實(shí)了鹵化物不受傳統(tǒng)氧化物、硫化物的固體快離子導(dǎo)體設(shè)計(jì)原則的束縛，本征的具有低的離子遷移能壘和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，是發(fā)展下一代固態(tài)電解質(zhì)極具潛力的新研究方向。相關(guān)結(jié)果發(fā)表Angewandte Chemie International Edition 上https://doi.org/10.1002/anie.201901938