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鑭系新型固態(tài)電解質來了 有助開發(fā)高比能全固態(tài)鋰電池

   2023-04-11 科技日報

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核心提示:4月6日,記者從中國科學技術大學獲悉,該校姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學陶新永課題組合作,設計開發(fā)出鑭系金屬鹵化

4月6日,記者從中國科學技術大學獲悉,該校姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學陶新永課題組合作,設計開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質新家族,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。相關研究成果論文4月5日發(fā)表于《自然》。

金屬鹵化物固態(tài)電解質因其寬電化學窗口、良好的室溫電導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)定的新型快離子導體框架結構是發(fā)展高比能全固態(tài)鋰金屬電池面臨的關鍵挑戰(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。

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通道間超強的交換作用,優(yōu)化的金屬鹵化物固態(tài)電解質表現(xiàn)出高室溫離子電導率和低活化能,優(yōu)于傳統(tǒng)氧化物和最近報道的鹵化物固態(tài)電解質,可與部分硫化物電解質相媲美。基于此,研究人員組裝的全固態(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構特征。這一性質賦予了鑭系金屬鹵化物框架極強的可拓展性。未來通過合理的元素設計,鑭系金屬鹵化物固態(tài)電解質有望具備實現(xiàn)更高界面穩(wěn)定性、更快離子傳導和更廉價原料成本的巨大潛力,將成為一個全新的電解質家族。



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