鋰離子導體最新Science!

在固體材料中，快速的陽離子輸運是能量存儲的基礎。材料設計一直專注于具有最小陽離子配位變化定義輸運路徑的結構形式，將注意力限制在化學空間的一小部分。高性能無機晶體固態鋰離子(Li⁺)電解質的發現仍然是促進下一代電池技術發展的一個挑戰。固體電解質在室溫下的高離子電導率對電池性能至關重要，以確保低電池電阻和陰極復合材料中活性材料的高負載，而不競爭電子電導率。此外，固體電解質和鋰金屬之間需要良好的化學相容性，這將使使用鋰陽極能夠提供更高的能量密度。少數已建立的結構家族產生了目前最先進的固體Li⁺離子導體，其離子電導率與液體電解質相當(≈10^?2 S·cm-1)。例如Li₁₀GeP₂S₁₂ ， Li_6.6Si_0.6Sb_0.4S₅I和Li₇P₃S₁₁。這些家族的結構創造了傳輸路徑，使陽離子配位的變化最小化，這被認為是它們高電導率的來源。這導致材料設計強調陰離子填料，主要提供或僅提供單一類型的Li配位環境，這限制了可用的化學空間。采用不同的設計策略，利用多個陰離子來構建合適的途徑，我們合成了一種材料，在這種材料中，許多不同的陽離子配位環境結合在一起，產生了超離子導電性。這極大地擴展了支持高陽離子遷移率的勢結構的數量和類型。

尋找具有均勻陽離子配位的運輸途徑的材料強調了四面體Li位點的作用。特別是，人們的注意力集中在陰離子的體心立方排列上，它可以形成由能量相等的面共享四面體位點組成的滲透Li⁺途徑，其遷移活化能較低。體心立方類陰離子排列，由于低密度導致它們有利于陽離子遷移，是罕見的，被高性能Li⁺離子導體如Li₁₀GeP₂S₁₂和Li₇P₃S₁₁所采用。A₇TX₆(其中A = Li, Ag，或Cu；T = p;和X = S)的銀柱石結構具有四面體緊密排列的陰離子排列，只產生四面體間隙位。盡管這符合高陽離子遷移率所提出的結構-性質關系，但銀柱石中陰離子的四面體緊密堆積是金屬間拉夫斯相(如MgCu₂)中的金屬，已知其表現出許多其他感興趣的性質，包括氫吸收和在間隙空間內的遷移率。

近日，來自英國利物浦大學John B. Claridge團隊在Science上發表了題為“Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing”的論文，該項研究借鑒了二元金屬間化合物比金屬元素具有更大的結構多樣性，使用兩個陰離子構建了一個利用多陽離子配位環境的三維超離子鋰離子電導率途徑。Li₇Si₂S₇I是一種純鋰離子導體，主要由硫化物和碘化物有序化形成，并將類似于NiZr結構的六方和立方緊密堆積的元素結合在一起。由此產生了不同鋰位置的多樣性網絡，具有不同幾何結構和陰離子配位化學性質，從而提供了較低的傳輸壁壘，為陽離子高電導率打開了較大的結構空間。

圖1離子導體和金屬間化合物網絡? 2024 AAAS

圖2多個陰離子序剪切Li₇Si₂S₇I中的密排層? 2024 AAAS

圖3 Li₇Si₂S₇I中多個配位幾何間隙點及陽離子占位模式? 2024 AAAS

圖4純相Li₇Si₂S₇I的離子電導率和穩定性? 2024 AAAS

圖5 Li₇Si₂S₇I的AIMD模擬? 2024 AAAS

在大多數固體電解質中，傳導路徑具有單一的配位幾何結構。該項研究設計了基于Li₇Si₂S₇I化學的電解質，其離子排列類似于金屬間化合物體系，具有3D相互連接的陽離子遷移途徑，連接多個不同幾何形狀、陰離子配位和大小的部分占據的Li⁺位點，具有低離子傳輸障礙。這產生了陰離子堆積在六方密排結構和剪切的面心立方結構之間交替出現，以容納硫和碘的配合物，類似于鎳鋯的結構。所得材料具有相互連通的15個晶體學分離的鋰位點，具有多種幾何結構和陰離子配位，為鋰離子提供了多樣化的傳導途徑，從而具有高導電性。高室溫Li⁺離子電導率為1.01(4)×10^?2 S·cm-1，與低電子電導率和與鋰金屬陽極的相容性相結合。許多優化策略可以增強這些性能的理想組合，例如引入陰離子無序和通過取代來抑制發生在室溫以下的結構相變。材料的結構多樣性促進了實施這種策略的潛力，具有許多不同的化學靶點。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5115