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宁波东方理工大学夏威团队ACS Nano：化学键调控助力高性能卤化物固态电解质研发

能源学人 · 公众号 · · 2025-02-24 08:31

正文

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【文章信息】

第一作者：金海伦

通讯作者：夏威*

单位：宁波东方理工大学（暂名），上海交通大学

【研究背景】

全固态电池具有高能量密度和卓越的安全性，被认为是下一代电池技术的“潜力股”。固态电解质作为全固态电池的核心组件，对电池的整体性能发挥着至关重要的作用。近年来，卤化物固态电解质因其优异的正极兼容性和良好的离子电导率，成为了研究的热点。为进一步提升该材料的离子传导，科学家们通常采用掺杂取代策略来发展新型电解质，该策略主要基于载流子浓度优化或晶格结构改变来实现。那么，是否存在新的策略，能够系统性调控卤化物离子传导？

【文章简介】

近日，来自宁波东方理工大学（暂名）的夏威教授团队，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“ Regulating Chemical Bonds in Halide Frameworks for Lithium Superionic Conductors ”的研究文章。该文章提出“化学键调控”的方法，实现了卤化物固态电解质的超离子传导，更好的可压缩性以及显著降低的全固态电池运行堆叠压力。

图1. 通过化学键调控实现高离子电导率的示意图

图2. 化学键调控对电子云分布影响及电解质结构表征

图3. 化学键调控诱导的局域晶格畸变对锂离子迁移势垒的影响

图4. 离子电导率与共价性、载流子浓度关系的理论计算模拟及实验验证

图5. 全固态电池低外压下运行性能

【本文要点】

要点一：取代掺杂新思路：化学键调控

传统取代掺杂主要通过优化载流子浓度或调整晶格结构来提升离子传导性能。而这项研究更进一步，探索了掺杂对化学键的调控作用。研究发现，引入高电荷密度阳离子（如Al ³⁺ 和Fe ³⁺ ）可以增加金属-卤化物（M-X）键的共价性，从而在局部形成不对称力场。这种调控显著提高了位点能量，降低了离子迁移势垒，最终大幅提升了离子传导性能。

要点二：电解质可压缩性显著提升

相比传统的硫化物和卤化物固态电解质，引入共价键的卤化物固态电解质表现出更优异的可压缩性，这有利于实现固态电解质与正极材料更紧密的接触。

要点三：低堆叠压力下的稳定性能

更令人振奋的是，这些材料在低堆叠压力（<10 MPa）下仍能保持优异的电化学性能。在0.5 C的充放电倍率下，电池经过600次循环后仍能保持70%的容量！这一突破为全固态电池的工业化应用奠定了坚实基础。

要点四：低成本与高性能的平衡

在追求高性能的同时，研究团队还注重材料的成本控制。通过选择廉价且丰富的金属元素（如Al和Zr），这些卤化物固态电解质的成本已降至10.3美元/千克。这种低成本高性能的组合，使得这些材料成为全固态电池商业化应用的理想候选者。

这项研究不仅深化了我们对卤化物固态电解质离子传导机制的理解，还为全固态电池的实用化迈出了重要一步。未来，随着技术的进一步优化，全固态电池有望在电动汽车、便携电子设备等领域大放异彩！

【文章链接】

Regulating Chemical Bonds in Halide Frameworks for Lithium Superionic Conductors

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16514

【通讯作者简介】

夏威，宁波东方理工大学（暂名）助理教授、副研究员、博士生导师（独立PI），上海交通大学兼职博导。2016年获北京大学力学（先进材料与力学）博士学位，曾在加拿大西安大略大学、南方科技大学担任博士后和副研究员。主要从事全固态电池和中子散射技术研究，开发了新型反萤石结构固态电解质，参与中子大科学装置建设。已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、npj Comput. Mater.、Nano Lett.、Chem. Rev.等国际著名学术期刊发表论文60余篇，总被引8700余次，H因子33。主持国自然面上、青年基金等项目，参与国自然合作创新研究团队、区域联合基金等项目。曾就职世界五百强企业电池研发部门，具有电池研发和工程化经验。入选斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的“全球前2%顶尖科学家榜单“。

【第一作者介绍】

金海伦，宁波东方理工大学（暂名）与上海交通大学2022级联培博士生。主要从事丰产元素基卤化物固态电解质及全固态电池研究。

【课题组介绍】

课题组依托宁波东方理工大学（暂名）物质与能源研究院，围绕国家能源战略技术需求，开展新型高比能全固态电池基础研究。研究院由孙学良院士担任院长，现拥有临时实验场地1000平方米，永久实验场地4000平方米。现已采购2000多万元科研设备，具备先进的材料合成、电池制造、电化学分析及表征能力（SEM、XRD、Raman，FT-IR等）。此外，学校具有球差电镜中心、高性能计算平台等公共研究设施，为开展科学研究提供了坚实的硬件保障。

课题组研究方向：

（1）卤化物固态电解质材料和全固态电池研究；

（2）基于先进中子表征的多尺度结构研究（衍射、PDF、成像等）；

（3）无机材料自动化合成与结构解析。

【课题组招聘】

长期招聘研究序列教授、博士后、博士研究生。有意者请发送简历至 [email protected] ，邮件标题请注明：申请岗位-姓名-学校。

岗位1. 研究助理教授

岗位职责：

1. 独立承担与课题组研究方向相关的研究课题，设计与完成相关实验，数据分析以及成果发表；

2. 配合课题组的项目申请，参与学术会议，学术合作；

3. 协助PI 完成实验室设计与建设，参与实验室日常运行与管理。

申请条件：

1. 爱国守法，遵守学校规章制度，热爱教育事业，言行雅正，恪守学术规范，自尊自律，秉公平诚信；

2. 在海内外知名高校或研究机构取得博士学位，且博士研究生期间有高水平的学术成果；

3. 研究方向为电池或中子表征相关，具有一年以上相关研究方向博士后经验优先。

薪酬待遇：

1. 参照国内外大学相应职位的薪酬标准，为获聘的优秀人才提供有竞争力的、能够使其安心工作的薪酬福利待遇；

2. 缴纳五险一金，带薪年假以及节假日福利；

3. 可根据政府人才公寓政策条件及房源情况，优先支持申请政府人才公寓（可拎包入住）。

岗位2. 博士后研究人员

申请条件：

1. 已取得或即将取得相关专业博士学位；

2. 具有良好的学术背景和较强的科研能力，具有电池或中子表征相关的研究经历，以第一作者或通讯发表过高水平文章；

3. 具有良好的英语阅读，写作与交流能力。

薪酬待遇：

1. 综合年薪税前40-60万元（含地方政府博士后在站生活补助30万/年）；

2. 缴纳五险一金，带薪年假以及节假日福利；

3. 在站期间，可根据政府人才公寓政策条件及房源情况，优先支持申请政府人才公寓（可拎包入住）；

4. 博士后出站后，若留在宁波企事业单位工作的，可享受最高不超过60万元的相关补贴；

5. 出站后颁发中国科学技术大学博士后证书。

岗位3. 博士项目（本科或硕士起点）

项目描述：

1. 博士研究生由上海交通大学(1+3)、中国科学技术大学(1+3)、香港理工大学(2+2) 与宁波东方理工大学（暂名）联合培养，双导师制，毕业后授予联培学校博士学位；

2. 博士生在联培学校开展研究工作期间，东方理工为联合培养博士生在读期间提供生活补助和助研津贴；

3. 在东方理工开展研究工作期间，将为学生提供具有竞争力的助研津贴；

4. 课题组与国内外多个课题组有良好合作关系，将提供出国交流机会，积极支持参与海内外各类学术会议及学术访问。

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