陈海龙/莫一飞Nature Chemistry：超离子导电性卤化物电解质

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-10-22 08:18

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Li ₃ MX ₆ （M = Y, In, Sc等，X = 卤素）是全固态锂离子电池（ASSLIBs）中新兴的固态电解质材料。与现有的硫化物固态电解质相比，其展现出了更好的化学稳定性和更宽的电化学窗口，但室温下的离子导电性较低。

在此， 美国佐治亚理工学院陈海龙，马里兰大学莫一飞，橡树岭国家实验室Jue Liu等人 发现阴离子的集体运动可触发Li ₃ YCl ₆ （LYC）的超离子转变，并通过同步辐射X射线和中子散射表征以及从头算分子动力学模拟进行了验证。

此外，作者采用了合理的阴离子掺杂策略来降低超离子转变温度，从而提高这类化合物的室温离子导电性。结果显示，作者合成的Li ₃ YCl _4.5 Br _1.5 和Li ₃ GdCl ₃ Br ₃ 分别实现了高达6.1和11 mS cm ⁻² 的室温离子电导率。

图1. Li ₃ YCl ₆ 的离子传输路径

总之，该工作揭示了LYC结构中超离子转变（SIT）是由阴离子集体运动的变化触发。该转变不仅解释了之前实验和计算结果之间的差异，而且还提供了一种有效的合理设计策略来优化固态电解质材料。

基于此，Li ₃ YCl _x Br ₆₋ x和Li ₃ GdCl ₃ Br ₃ 的化合物成功实现了更低的转变温度（Tc），分别达到70°C和-10°C，并在Li ₃ YCl _4.5 Br _1.5 和Li ₃ GdCl ₃ Br ₃ 中分别获得了6.1和11 mS cm ⁻² 的高室温导电性。

此外，作者通过使用同步辐射和中子散射技术进行深入晶体结构表征揭示了结构-性能关系，并据此进行理性材料设。因此，该工作为全固态锂离子电池（ASSLIBs）的开发和离子导体的设计提供了新的选择。

图2. Li ₃ YCl _6−x BR _x 中激活a-b平面内的2D Li ⁺ 扩散途径

Tuning collective anion motion enables superionic conductivity in solid-state halide electrolytes, Nature Chemistry 2024 DOI: 10.1038/s41557-024-01634-6

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