Nature子刊：超快離子導體中的鋰離子輸運原理和設計策略

最新 06-25

【引言】

現有普遍使用的鋰離子電池中，通用的液體有機電解質可燃、電化學穩定窗口有限，是當前限制電池發展的瓶頸。基於固體陶瓷的無機快離子導體可以替代現有的液體電解質，實現全固態鋰離子電池，有望進一步提高電池的安全性和能量密度。但目前對於無機快離子導體的離子輸運原理的理解並不完全，限制了進一步發展新的無機快離子導體材料和實現全固態鋰離子電池。

【成果簡介】

6月21日，Nature Communications在線發表題為「Origin of fast ion diffusion in super-ionic conductors」的研究論文，通訊作者為美國馬里蘭大學材料系莫一非教授，共同作者是博士研究生何性峰（第一作者）、朱一舟。

【本文亮點】

本文揭示了快離子導體材料特有的「協同運動」的這一獨特離子輸運模式機理，闡明了多離子協同運動對降低離子躍遷能壘、激發離子快速輸運的關鍵作用，並通過模擬計算證明了快離子導體中高低能量位置離子佔據對激發協同運動的物理本質，提出並證實了一種普適通用的設計快離子導體的全新策略。

美國工程院院士、加州大學伯克利分校材料系教授Gerbrand Ceder 對該工作給予高度評價：「Solid-state batteries are a promising new direction to provide energy storage with high energy density and good safety. This work provides another important step forward in understanding the origin of the very high Li conductivity in some solids, as it highlights the importance of high Li content in the material leading to more concerted motion.」

斯坦福大學材料系教授崔屹表示：「Understanding the fundamental mechanism on how ions move fast in solid state will have profound impact to batteries, fuel cells and other electrochemical technologies. The work by Yifei Mo offers a new and important insight on fast ion transport and provides new materials principles for finding the new solid electrolyte.」

【圖文導讀】

本文採用基於第一性原理的計算方法，在原子尺度研究了已知的快離子導體中的離子運動，發現多個離子的協同躍遷是已知的快離子導體所共有的輸運模式，同時採用nudged elastic band (NEB)方法，發現這種模式具有極低的躍遷能壘。同時，NEB得到的躍遷能壘，與分子動力學模擬得到的統計上的輸運激活能、以及實驗得到的輸運激活能相符合，進一步驗證了協同躍遷的輸運模式是這些快離子導體的典型輸運模式。

進一步研究發現，協同躍遷模式的躍遷能壘甚至顯著低於單個離子獨立躍遷模式的躍遷能壘。經過分析，在所有多離子協同躍遷中，各個離子所處的位置能量不盡相同，有的離子處於高能量的位置，有的離子處於低能量的位置。當相鄰的幾個離子一起運動時，高能量位置的離子向下運動，便能部分抵消低能量位置向上運動感受到的能壘。在多個離子的共同運動下，協同躍遷便會表現出更低的能壘。

基於這個理論模型，本文提出了一種全新的提高固體中離子傳輸的材料設計策略。通過對材料的摻雜，使得部分鋰離子處於高能量的位置。這些離子通過與其他離子的相互作用，就可能激發低能壘的協同躍遷，從而將原本普通的材料改造成為快離子導體材料。該材料設計策略在一些新的材料中得到了證實，數個全新的快離子導體被第一性原理計算設計預測了出來。

圖一、單離子躍遷與多離子協同躍遷的示意圖。