深研院新材料學院李舜寧/潘鋒團隊在基于圖論理論的鋰電池快離子導體材料研究中取得重要進展

固態鋰電池正逐漸成為推動鋰電池性能提升的研究熱點。相較于傳統的液態鋰電池，固態鋰電池的關鍵技術挑戰在于開發具有高性能的固態鋰離子導體隔膜。北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊致力于AI4S和材料基因組學的研究，成功將圖論數學與結構化學相結合，創新性地提出了一種基于圖論的結構化學研究方法（Sci China Chem, 2019,?DOI: 10.1007/s11426-019-9502-5; National Science Review, 2022, DOI: 10.1093/nsr/nwac028）。近期，潘鋒教授團隊將這一研究方法進一步應用于固態鋰電池快離子導體材料的開發。通過基于子圖同構匹配的數學模型，團隊從自主開發的晶體結構大數據庫中快速篩選出了一系列具有高鋰離子電導率的無機晶體材料。該方法顯著縮小了結構搜索范圍，降低了高通量計算的成本，開創了一種高效篩選固態鋰電池電解質材料的新途徑。這項研究成果已在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 27, 18535–18543）發表，題為“Rapid Mining of Fast Ion Conductors via Subgraph Isomorphism Matching”。

圖1 (a)子圖同構匹配流程圖。(b) 通過結構篩選獲得的四種與LiTi₂(PO₄)₃參考結構相似的結構類型對應的原子環境及子圖表示。

兩種擁有相似結構的材料通常也表現出某些相似的物理化學性質。基于這一點，可以采用已知性能優異的材料作為原型，通過尋找結構相似的其他化合物，有效縮減材料搜索范圍，并從中發掘可能的高性能新材料。無機晶體材料的離子傳導性能與其內部骨架原子的空間分布密切相關。通過對比不同材料間框架結構的相似性，我們能迅速識別出潛在的快離子導體材料，從而避免開展大規模、高通量的實驗或計算研究，提高研究效率。

傳統的無機晶體材料結構相似性評估方法主要依賴于空間對稱性、原子配位數和Wyckoff位置等因素，但這些方法未能基于材料的微觀局域原子環境進行定量評估，且存在一定的主觀性。為了克服這些局限，深研院的潘鋒/李舜寧團隊開發了一種先進的基于圖論的結構相似度判別算法。這種算法能夠精確地描述材料中原子間的拓撲連接關系，并利用子圖同構匹配客觀地評估兩種化合物的結構相似性，避免了人為設定經驗閾值的需求。算法的關鍵在于，通過分析圖距離為3的子圖，能揭示材料中配位多面體（即結構基元）之間的空間連接關系。子圖間的雙射匹配關系可以有效地判斷兩種材料是否具有相似的局域原子結構，從而預測它們在晶格中的離子傳輸路徑和孔道環境的相似性。

研究以NASICON相的LiTi₂(PO₄)₃固態電解質材料作為參考結構，運用所開發的子圖同構匹配方法，從無機材料晶體結構數據庫中成功識別出四種具有與參考材料類似局域原子環境的材料結構。通過第一性原理計算，這四種結構的鋰離子遷移能壘展現出與參考材料的高度一致性。進一步的分析顯示，這些結構與原型結構之間的關鍵差異包括鋰配位多面體的畸變和過渡態鞍點位置與XO₄四面體之間的相對距離，這兩個因素顯著影響鋰離子的遷移能壘。該結果不僅展示了子圖同構匹配方法在篩選類似晶體結構中的應用效果，還揭示了微觀結構畸變對離子遷移性能的影響，為設計更優化的固態電解質材料提供了寶貴的洞察。

研究團隊基于這種高效材料搜索方法，從包含54萬余種無機化合物的數據庫中迅速篩選出104種具有潛力的快離子導體材料。利用第一性原理計算，精確獲得了這些材料的離子電導率、電子電導率和電化學穩定性窗口。經過深入分析，從104種候選材料中篩選出了13種適用于鋰電池的新型固態電解質材料，其中多種材料的離子電導率超過1 mS/cm，電化學穩定窗口超過1.5 V。這一成果證明了基于圖論的無機材料結構分析方法在快離子導體材料的篩選和設計中的高效性，極大地推進了原子尺度材料構效關系探究及新型固態鋰電池材料開發的研究進展。

圖2 從無機晶體材料數據庫中挖掘獲得的潛在固態電解質材料。

北京大學深圳研究生院新材料學院博士研究生張文韜為文章的第一作者，李舜寧和潘鋒為通訊作者。該研究得到廣東省重點實驗室、軟科學研究計劃項目和廣東省自然科學基金的支持。