研究背景
全固态锂离子电池（ALSOLIBs）是一种新兴的能源存储技术，因其高安全性和能量密度而受到广泛关注。然而，现有的固体电解质在室温离子导电性和化学稳定性方面仍存在不足，限制了其大规模应用。为了解决这一挑战，佐治亚理工学院陈海龙教授、美国马里兰大学材料科学与工程系Yifei Mo，美国田纳西州橡树岭国家实验室Jue Liu等人携手在Nature Chemistry期刊上发表了题为“Tuning collective anion motion enables superionic conductivity in solid-state halide electrolytes”的最新论文。研究人员深入探讨了氯化物家族Li3MX6（M=Y, In, Sc等）作为固态电解质的潜力。研究表明，Li3YCl6中的超离子转变是由阴离子的集体运动引起的，这一发现为材料的设计提供了新的思路。通过同步辐射X射线和中子散射技术的表征，结合第一性原理分子动力学模拟，科学家们成功合成了Li3YClxBr6−x和Li3GdCl3Br3，显著提高了室温导电性，分别达到了6.1和11mScm−1。这一系列研究不仅揭示了结构与性能之间的关系，也为高性能固态电池的开发提供了新的设计路径。
研究亮点
（1）实验首次揭示了氯化物家族Li3YCl6中的超离子转变是由阴离子的集体运动引发的，采用同步辐射X射线和中子散射技术进行了系统表征。 （2）通过理性设计策略，成功合成了Li3YClxBr6−x和Li3GdCl3Br3，显著降低了转变温度，分别达到了70°C和−10°C，并在室温下获得了高达6.1 mS cm−1和11 mS cm−1的离子导电率。 （3）研究结果表明，该类固态电解质在室温下的导电性显著提高，为全固态锂离子电池的开发提供了新的思路。（4）本研究展示了通过深度的晶体结构表征来理解结构-性能关系，并为高性能固态电池的电解质材料设计开辟了新途径。
图文解读
图2：在不同温度下，通过中子衍射（ND）模式生成的FDMs可视化LYC的离子导电性和锂扩散路径。 图3：阴离子配体的集体运动及其对锂离子扩散行为的影响。图4：不同温度下LYC的第一性原理分子动力学（AIMD）模拟。 图5：在Li3YCl6−xBrx中激活a-b平面内的二维锂离子扩散路径。
结论展望
本文的研究揭示了氯化物固态电解质Li3YCl6中超离子转变的机制，强调了阴离子集体运动在提升离子导电性中的重要性。这一发现不仅解释了实验结果与理论预测之间的差异，还为设计新型固态电解质提供了有效的策略。通过合理的材料设计，我们成功合成了Li3YClxBr6−x和Li3GdCl3Br3，分别实现了高达6.1mS cm−1和11 mS cm−1的室温导电率。这表明，通过调控材料结构和转变温度，可以显著改善离子导电性，为全固态锂离子电池的商业化应用铺平道路。此外，研究中使用的同步辐射X射线和中子散射技术，展示了先进表征手段在探索材料性质方面的重要性。未来，借助类似的理性设计策略，我们可以进一步开发具有更高性能的固态电解质，推动高能量密度和高安全性的下一代电池技术的发展。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
