中科大&浙工大最新Nature：基于LaCl3的鋰超離子導體可與鋰金屬兼容

一、 【導讀】?

全固態鋰金屬電池（ASSLMBs）的使用可以解決傳統鋰離子電池的安全和能量密度問題。作為ASSLMBs的重要組成部分，盡管固態電解質（SEs）直接影響電池性能，但沒有單個SE具有ASSLMBs所需的所有性質，包括高離子導電性、用于親密固體-固體接觸的軟晶格和寬電化學窗口。缺乏這些屬性導致先前報道的無機SEs存在電極兼容性問題，限制它們在ASSLMBs中的實際使用。因此，具備ASSLMBs電極兼容性所需特性的鋰超離子導體備受期待。也就是說，無機超離子導體具有高離子導電性和優異的熱穩定性，但其與鋰金屬電極的界面相容性差，阻礙了在全固態鋰金屬電池中的應用。

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二、【成果掠影】

中科大姚宏斌教授，李震宇教授聯合浙江工業大學陶新永教授報道了一種基于LaCl₃的鋰超離子導體，與鋰金屬電極具有良好的界面兼容性。相對于Li₃MCl₆（M = Y，In，Sc和Ho）電解質晶格，UCl₃型LaCl₃晶格具有大型一維通道，可實現快速的Li⁺傳導，并通過Ta摻雜相互連接La空位，形成三維Li⁺遷移網絡。經過優化的Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃電解質，在30℃時具有3.02 mS cm^-1的Li⁺導電率和0.197 eV的低激活能。它還生成了梯度界面鈍化層，用于穩定Li金屬電極進行長期循環。當直接與未涂層的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正極和裸露的Li金屬負極相耦合時，Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃電解質能夠使固態電池以4.35 V的截止電壓和1 mAh cm^-2以上的面積容量運行100多個周期。此外還展示了鑭系金屬氯化物（LnCl3；Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd）中的快速Li⁺傳導，這表明LnCl₃固態電解質系統可以提供進一步的傳導性和實用性發展。相關成果以“A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal”發表在Nature上。

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?三、【核心創新點】

這項研究報道了一種基于LaCl₃的鋰超離子導體，具有與鋰金屬電極良好的界面兼容性，可用于實現安全且高能量密度的全固態鋰金屬電池。

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?四、【數據概覽】

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圖1:基于LaCl₃晶格的Li⁺超離子導體結構模型及其Li⁺遷移機理。 @2023 Springer Nature

圖2:Li_xTa_yLa_zCl₃中Li⁺的電導率和Li⁺化學環境的識別。 ?@2023 Springer Nature

圖3:Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃ SE對Li金屬電極的界面穩定性。 @2023 Springer Nature

圖圖4:Li/Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃/NCM523 ASSLMB的電化學性能。@2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

總言之，本研究報道了一種基于LaCl₃的鋰超離子導體，具有獨特的UCl3型結構。經過優化的Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃固態電解質具有高離子導電性和優異的電極兼容性，在可實現1.16 mAh cm^-2面積容量下，使得Li/Li_0.388Ta_0.238La_0.475Cl₃/NCM523全電池穩定循環。此研究不僅展示了基于LaCl₃的固態電解質的電極兼容性，還啟發了基于LnCl₃晶格的全新UCl₃型固態電解質體系（Ln = La、Ce、Nd、Sm和Gd），可提供多種元素摻雜選擇。

原文詳情： Yin, YC., Yang, JT., Luo, JD. et al. A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal. Nature 616, 77–83 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05899-8