“文武双全”的卤族无机固态电解质——结合高锂离子电导与电化学稳定性

来源：X一MOL资讯

目前业界普遍认为全固态锂离子电池将成为下一代锂离子电池的关键技术，实现更高的安全性、能量密度和更长的循环寿命。全固态锂离子电池的核心组成部分便是固体无机快离子导体，然而好的固体电解质材料需要兼具高离子电导、电子绝缘、良好的电化学稳定性、界面稳定性等特点，这些要求使得进一步发展新的无机快离子导体材料和全固态锂离子电池充满挑战。

近日，美国马里兰大学材料系莫一非教授研究组与北京大学材料系孙强教授研究组合作通过第一性原理计算研究了基于卤族的无机快锂离子导体，提出并证实了氯化物、溴化物作为快离子导体同时具有良好的电化学稳定性和高离子电导，是极具潜力的下一代固态电解质材料。基于密度泛函理论的模拟计算，该团队研究了松下公司近期报道的Li3YCl6和Li3YBr6两种材料，并且从理论上确认了这些材料具有高的离子电导率、较宽的电化学窗口（0.6～4.2 V）、以及与层状氧化物正极界面的良好兼容性。在此基础上，他们通过进一步计算发现卤化物的阴离子晶格本征地具有低的锂离子迁移势垒。不同于传统氧化物、硫化物快离子导体的设计原则，卤族化合物不需要体心立方阴离子框架结构与协同跃迁的输运模式，也能具有较低的锂离子跃迁势垒。这为进一步设计新型固态快离子导体提供了指导。

此外，全固态锂电池的另一关键技术问题就是固体电解质与电极之间的界面兼容性和稳定性。该团队通过对Materials Project数据库中含锂三元卤化物的计算发现氯化物和卤化物大多具有较宽的电化学窗口，可以实现对4V电池电压的覆盖。且氯化物和溴化物与广泛使用的正极材料LiCoO2展现出良好的界面兼容性。氯离子良好的抗氧化性可以有效抑制与正极材料在脱锂过程中发生的分解副反应。松下公司近期报道基于Li3YCl6和Li3YBr6组装的全固态电池在没有涂层保护的情况下展现了良好的循环稳定性和高库伦效率也证实了卤化物固态电解质良好的界面稳定性这一特性，且该类材料良好的可加工柔性也有利于进一步增强电极/电解质接触面积，减少界面阻抗。

该团队通过第一性原理计算方法提出并证实了卤化物不受传统氧化物、硫化物的固体快离子导体设计原则的束缚，本征的具有低的离子迁移能垒和良好的电化学稳定性，是发展下一代固态电解质极具潜力的新研究方向。相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是北京大学和马里兰大学联合培养博士生汪硕，孙强教授和莫一非教授为共同通讯作者。