镧系新型固态电解质来了 有助开发高比能全固态锂电池

4月6日，记者从中国科学技术大学获悉，该校姚宏斌课题组、李震宇课题组与浙江工业大学陶新永课题组合作，设计开发出镧系金属卤化物基固态电解质新家族，实现了无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂金属电池。相关研究成果论文4月5日发表于《自然》。

金属卤化物固态电解质因其宽电化学窗口、良好的室温电导率和不错的可变形性，展现出比氧化物/硫化物固态电解质更好的高电压氧化物正极适配性。然而，目前报道的大多数金属卤化物固态电解质采用高电位的锂铟合金，限制了高能量密度全固态锂金属电池的开发。同时，传统的金属卤化物固态电解质晶格中氯离子是六方或立方紧密堆积，其空间体积较小，对锂离子的传导有一定限制。因此，开发对锂金属负极稳定的新型快离子导体框架结构是发展高比能全固态锂金属电池面临的关键挑战。

研究人员发现，镧系金属卤化物晶格中氯离子呈非紧密堆积形式，天然存在丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。

研究人员选择高价离子掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的金属卤化物固态电解质表现出高室温离子电导率和低活化能，优于传统氧化物和最近报道的卤化物固态电解质，可与部分硫化物电解质相媲美。基于此，研究人员组装的全固态锂金属原型电池无须负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温下百圈以上的循环。

此外，研究人员还发现，镧系金属卤化物可容纳大量异种非镧系金属元素，且在此状态下仍能保持快离子传输的晶型结构特征。这一性质赋予了镧系金属卤化物框架极强的可拓展性。未来通过合理的元素设计，镧系金属卤化物固态电解质有望具备实现更高界面稳定性、更快离子传导和更廉价原料成本的巨大潜力，将成为一个全新的电解质家族。