研究背景
隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)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(xué)界的廣泛關(guān)注。全固態(tài)電池的核心在于無(wú)機(jī)鋰超離子導(dǎo)體，這類材料能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)相媲美的高效鋰離子傳導(dǎo)。然而，當(dāng)前超離子導(dǎo)體面臨一些關(guān)鍵問(wèn)題：一方面，現(xiàn)有材料能夠同時(shí)達(dá)到超離子導(dǎo)電性和滿足實(shí)際應(yīng)用需求的數(shù)量非常有限；另一方面，這些材料在合成工藝、穩(wěn)定性和成本方面也存在挑戰(zhàn)。此外，固態(tài)電解質(zhì)還需要具備與其他電池組件的良好化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，尤其是與正極材料的匹配性，以及應(yīng)對(duì)充放電過(guò)程中體積變化的能力。為此，全球范圍內(nèi)的科學(xué)家們致力于開(kāi)發(fā)新型無(wú)機(jī)鋰超離子導(dǎo)體，并通過(guò)系統(tǒng)性和理性設(shè)計(jì)原則，來(lái)探索和優(yōu)化不同晶體結(jié)構(gòu)中的鋰離子傳輸機(jī)制。科學(xué)家們研究了離子在無(wú)機(jī)晶體中的擴(kuò)散行為，特別是結(jié)構(gòu)與化學(xué)因素如何在原子尺度上影響離子傳導(dǎo)。這些研究表明，超離子導(dǎo)體的離子導(dǎo)電性受到框架結(jié)構(gòu)中鋰離子位置及其遷移通道的控制，同時(shí)化學(xué)摻雜和晶格缺陷的引入也對(duì)導(dǎo)電性有顯著影響。有鑒于此，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校KyuJung Jun，Gerbrand Ceder等人在“Nature Reviews Materials”期刊上發(fā)表了題為“Diffusion mechanisms of fast lithium-ion conductors”的最新論文。本研究針對(duì)現(xiàn)有無(wú)機(jī)鋰超離子導(dǎo)體材料存在的導(dǎo)電性限制，提出了一種基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與化學(xué)調(diào)控相結(jié)合的策略。研究人員首先通過(guò)調(diào)整晶體框架的幾何特性，優(yōu)化了鋰離子的遷移路徑，進(jìn)而通過(guò)化學(xué)摻雜進(jìn)一步降低了活化能，從而提高了材料的室溫離子導(dǎo)電性。最終，本研究不僅提升了現(xiàn)有材料的導(dǎo)電性能，還為未來(lái)開(kāi)發(fā)新型超離子導(dǎo)體提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路，有望推動(dòng)全固態(tài)電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
研究亮點(diǎn)
1. 綜述揭示了無(wú)機(jī)鋰超離子導(dǎo)體在全固態(tài)電池中的重要性，展示了其在快速離子傳輸中的關(guān)鍵作用。研究表明，無(wú)機(jī)固體導(dǎo)體可以在安全性和能量密度方面超越傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)。2. 綜述通過(guò)分析結(jié)構(gòu)和化學(xué)因素對(duì)離子導(dǎo)電性的影響，提出了一系列優(yōu)化路徑。研究發(fā)現(xiàn)，離子導(dǎo)電性可以通過(guò)兩方面優(yōu)化：首先，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性，其次通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分進(jìn)一步提升導(dǎo)電性能。3. 結(jié)果顯示，鋰超離子導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)歷史表明了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)的重要性。40多年的研究表明，通過(guò)深入理解材料的原子擴(kuò)散機(jī)制，可以有效加速新材料的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。 4. 研究還表明，盡管目前的導(dǎo)體在某些性能上達(dá)到了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但并沒(méi)有一種材料能夠滿足所有要求，這導(dǎo)致了實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。研究提出了未來(lái)研究應(yīng)當(dāng)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加速導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)，以支持全固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)。
圖文解讀
圖1：在無(wú)機(jī)晶體材料中，控制鋰離子擴(kuò)散的靜態(tài)結(jié)構(gòu)因素。 圖2. 骨架對(duì)鋰離子擴(kuò)散的影響。 圖3. 超離子導(dǎo)體中，鋰Li位點(diǎn)拓?fù)涞奶卣鳌?/span> 圖 4 陰離子基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)鋰離子擴(kuò)散的影響。圖5: 提高離子電導(dǎo)率的化學(xué)因素。 圖6: 在增強(qiáng)離子電導(dǎo)率方面，各種設(shè)計(jì)原理的突破。圖7: 超離子導(dǎo)體的設(shè)計(jì)策略。
結(jié)論展望
本文的科學(xué)在于全固態(tài)電池技術(shù)的突破性潛力和無(wú)機(jī)鋰超離子導(dǎo)體在其中的核心作用。通過(guò)探索離子導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)和化學(xué)因素，研究揭示了如何通過(guò)優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)化學(xué)成分來(lái)提升離子傳輸效率。盡管當(dāng)前材料面臨諸多挑戰(zhàn)，但本文強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新策略的必要性，即結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和化學(xué)調(diào)整來(lái)開(kāi)發(fā)新型超離子導(dǎo)體。這一過(guò)程不僅依賴于已有研究成果的積累，還需要引入新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算模擬工具，以加速新材料的發(fā)現(xiàn)。通過(guò)這種系統(tǒng)化、戰(zhàn)略性的研究方法，科學(xué)家能夠有效地縮短材料開(kāi)發(fā)周期，為下一代能源存儲(chǔ)技術(shù)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，推動(dòng)全固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)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
