天天時訊：我科學(xué)家研發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族
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4月6日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學(xué)陶新永課題組合作，設(shè)計開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族，實現(xiàn)了無任何電極修飾且室溫可運行的全固態(tài)鋰金屬電池。相關(guān)研究成果4月5日發(fā)表于《自然》。
金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)因其寬電化學(xué)窗口、良好的室溫電導(dǎo)率和不錯的可變形性，展現(xiàn)出比氧化物/硫化物固態(tài)電解質(zhì)更好的高電壓氧化物正極適配性。然而，目前報道的大多數(shù)金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)采用高電位的鋰銦合金，限制了高能量密度全固態(tài)鋰金屬電池的開發(fā)。同時，傳統(tǒng)的金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)晶格中氯離子是六方或立方緊密堆積，其空間體積較小，對鋰離子的傳導(dǎo)有一定限制。因此，開發(fā)對鋰金屬負極穩(wěn)定的新型快離子導(dǎo)體框架結(jié)構(gòu)是發(fā)展高比能全固態(tài)鋰金屬電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，鑭系金屬鹵化物晶格中氯離子呈非緊密堆積形式，天然存在豐富的一維大尺寸孔道，適合鋰離子的高速傳輸，并可通過鑭空位形成連續(xù)的三維傳導(dǎo)。
研究人員選擇高價離子摻雜策略來制造鑭空位，得益于大尺寸高速離子通道和相鄰?fù)ǖ篱g超強的交換作用，優(yōu)化的金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出高室溫離子電導(dǎo)率和低活化能，優(yōu)于傳統(tǒng)氧化物和最近報道的鹵化物固態(tài)電解質(zhì)，可與部分硫化物電解質(zhì)相媲美?；诖?，組裝的全固態(tài)鋰金屬原型電池無須負極墊層和正極包覆等額外的常用界面穩(wěn)定手段，即可實現(xiàn)室溫下百圈以上的循環(huán)。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，鑭系金屬鹵化物可容納大量異種非鑭系金屬元素，且在此狀態(tài)下仍能保持快離子傳輸?shù)木徒Y(jié)構(gòu)特征。這一性質(zhì)賦予了鑭系金屬鹵化物框架極強的可拓展性，使鑭系金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)在未來通過合理的元素設(shè)計，具備實現(xiàn)更高界面穩(wěn)定性、更快離子傳導(dǎo)和更廉價原料成本的巨大潛力，將成為一個全新的電解質(zhì)家族。
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