锂电池固态电解质机理研究获进展

全固态锂电池因其安全性和高能量密度成为当前电池研究的焦点。建造这种新型电池的关键是找到合适的固体电解质材料。为了设计出具有优异离子传输性能的固体电解质，有必要充分了解锂离子在固体中的迁移机理。

中国科技大学马成教授课题组与中外学者合作，在锂电池固体电解质的离子传输机理研究方面取得了重要发现。研究人员通过球差校正透射电子显微镜直接观察到一种特殊的非周期机制。尽管这种结构只有一个原子层厚，但它能显著影响锂离子的传输，从而成为固态锂电池研究人员除了关注晶界和点缺陷之外还需要密切关注的另一种非周期结构。研究结果最近发表在《自然-传播》上。

像所有其他材料一样，固体电解质由具有周期性特征的理想晶体结构和干扰局部周期性的“非周期性结构”组成。非周期结构可以影响离子电导率几个数量级，因此在研究离子输运机制时，它们往往比周期结构更重要。在文献中，对锂电池固体电解质非周期结构的研究主要集中在晶界和点缺陷上，而马成发现了另一种对离子输运有重要影响的非周期结构。用球差校正透射电子显微镜观察了一种典型的固体电解质锂镧钛氧化物。研究人员发现了大量单原子层缺陷。与已知的非周期性结构如晶界和堆垛层错不同，该缺陷由一层与钛酸镧锂具有不同化学组成和原子排列的单原子层材料组成，并且它们仅沿着特定的结晶取向出现。这种微观特征导致观察到的单原子层缺陷经常相互连接，形成一个闭环。

"这些有缺陷的结构虽然很多，但很难观察到."文章的第一作者，来自中国科技大学的研究生朱峰博士说，“它们只能从几个晶体学取向上看到，而且由于只有一个原子层厚度和其他共存的微观结构，通常很难注意到。因此，尽管固体电解质已经研究了许多年，但直到今天，这种非周期结构还没有被发现。”

“这种非周期结构就像是由一个原子层构筑的围城:内部的锂离子无法排出，外部的锂离子也无法进入。”马成说:“因此，虽然它们只有一个原子层厚，但它们可以阻止相当大数量的材料参与离子传输，从而大大降低材料的整体锂离子传输效率。”

基于球差校正透射电子显微镜的观察结果，研究人员通过理论计算发现，虽然这些缺陷只有一个原子层厚，但它们特殊的原子构型可以完全阻止锂离子在垂直方向上通过。因此，当它们相互结合形成闭环时，锂离子不能进入或离开被缺陷包围的体积，导致材料的这一部分与整个离子传输隔离。电子显微镜观察证实，这种现象存在于大量样品中，因此离子电导率将降低约1-2个数量级。

研究人员将这种独特的非周期性结构命名为“单壁锂阱”它的发现表明，除了晶界和点缺陷之外的非周期性结构也可能强烈影响离子输运，因此在其他重要系统中迫切需要类似的研究。《自然通讯》的评论者高度肯定了这项工作的科学意义，称“这篇文章读起来令人兴奋，并报道了一个非常新颖的观察结果”，而且“它将激发固体电解质/固体电池领域的广泛讨论，甚至更广泛地在材料科学和电子显微镜领域”。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15544-x