开发具有高能量密度优势的全固态锂电池需要设计兼具高离子电导率、高机械强度和高电化学稳定性的固态电解质。近日，加拿大西安大略大学孙学良与美国马里兰大学Yifei Mo等利用新型材料设计原理制备了一系列基于立方密堆积阴离子超晶格结构的Li_xScCl_3+x卤化物固态电解质。

本文要点

1) 这种Li_xScCl_3+x（x=2.5/3/3.5/4）卤化物电解质在室温下的离子电导率高达3×10^-3S/cm。由于原材料中LiCl和ScCl₃的共晶温度较低，因此该类卤化物固态电解质可以利用共熔策略进行合成，制备方法简单且能耗较低。在不同Li含量的材料中都可以观察到想要的立方密堆积阴离子超晶格结构和晶格取向，这是电解质具备高离子电导率的结构基础。

2) 研究人员进一步对x数值对电解质晶体结构和Li⁺扩散能力的影响进行了详细探究。结果表明，随着x数值的增大，材料主体晶格中Li⁺含量增加（载流子数目增加），空位浓度下降，Sc³⁺的阻塞效应更小，这就使得整体离子电导率得到显著提高。因此，在制备过程中控制前驱体中LiCl和ScCl₃的共熔比例即可精准调控所获固态电解质的离子电导率。

3) 研究人员将Li_xScCl_3+x电解质应用在全固态锂电池中对其电化学性能进行了测试。Li₃ScCl₆电解质在0.9-4.3V（相对于Li⁺/Li）的电压区间内能够保持电化学稳定，在对称电池中能够保持长达2500小时的沉积-剥离循环，而且对于LiCoO₂正极也具有很好的兼容性。LiCoO₂/Li₃ScCl₆/In全固态锂电池的可逆容量高达104.5mAh/g且能够保持160周的稳定循环。

该工作提出的利用占据位点进行离子电导率调控的策略为发展高性能全固态锂电池提供了新的思路。

Jianwen Liang et al, Site-Occupation-Tuned Superionic LixScCl3+xHalide Solid Electrolytes for All-Solid-State Batteries, JACS, 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c00134

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00134