迄今為止，商業(yè)化鋰電池多采用具有揮發(fā)性和易燃性的有機(jī)電解質(zhì)，存在一系列安全問(wèn)題。而全固態(tài)鋰電池因其固有的安全性和熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的下一代電池技術(shù)。成功構(gòu)筑全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵在于找到兼具高離子電導(dǎo)率和高界面穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)材料。

近日，浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院新能源材料與技術(shù)研究所陶新永教授課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組、李震宇課題組合作，在《Nature》發(fā)表題為《A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with Li metal》的研究論文。該研究揭示了一類鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新材料Li_xM_yLn_zCl₃ (Ln為鑭系金屬元素，M為非鑭系金屬元素)。

團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，以LaCl₃為代表的鑭系金屬鹵化物L(fēng)nCl₃（Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm等）晶格中天然具有豐富的一維大尺寸孔道，適合鋰離子的高速傳輸，并可通過(guò)鑭空位形成連續(xù)的三維傳導(dǎo)。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，具有獨(dú)特非密堆積原子排列方式的LaCl₃晶格框架可實(shí)現(xiàn)13.2 mS cm^-1的室溫離子電導(dǎo)率（圖1）。團(tuán)隊(duì)成員選擇高價(jià)摻雜策略來(lái)制造鑭空位，得益于大尺寸高速離子通道和相鄰?fù)ǖ篱g超強(qiáng)的交換作用，優(yōu)化的Li_0.388Ta_0.438La_0.475Cl₃表現(xiàn)出3.02 mS cm^-1的高室溫離子電導(dǎo)率和0.197 eV的低活化能，優(yōu)于氧化物電解質(zhì)和傳統(tǒng)鹵化物電解質(zhì)，可與部分硫化物電解質(zhì)相媲美。La的低電負(fù)性和梯度界面層的形成賦予了LaCl₃基電解質(zhì)對(duì)鋰金屬良好的穩(wěn)定性，組裝的鋰金屬對(duì)稱電池以0.2 mA cm^-2的電流密度和1 mAh cm^-2的面容量可穩(wěn)定循環(huán)5000小時(shí)以上。基于此，組裝的全固態(tài)鋰金屬電池?zé)o需負(fù)極墊層和正極包覆等額外的常用界面穩(wěn)定手段，即可實(shí)現(xiàn)室溫中百圈以上的循環(huán)。此外，團(tuán)隊(duì)成員還發(fā)現(xiàn)，鑭系金屬鹵化物可在容納大量異種非鑭系金屬元素的同時(shí)仍保持快離子傳輸?shù)腢Cl₃晶型結(jié)構(gòu)特征。這個(gè)性質(zhì)賦予了鑭系金屬鹵化物框架極強(qiáng)的可拓展性，使鑭系金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)Li_xM_yLn_zCl₃在未來(lái)通過(guò)合理的元素設(shè)計(jì)，具備實(shí)現(xiàn)更高界面穩(wěn)定性、更快離子傳導(dǎo)和更廉價(jià)原料成本的巨大潛力。具備UCl₃晶型特征結(jié)構(gòu)的鑭系金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)Li_xM_yLn_zCl₃將成為如硫化物中LGPS結(jié)構(gòu)、氧化物中LLZO結(jié)構(gòu)的一個(gè)全新的電解質(zhì)家族。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授、李震宇教授與浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授為本文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。浙江工業(yè)大學(xué)陶新永課題組主要負(fù)責(zé)了本工作全固態(tài)鋰電池材料的微結(jié)構(gòu)表征（冷凍電鏡觀測(cè)）和界面穩(wěn)定機(jī)制研究，其他相關(guān)系列研究成果近期發(fā)表在了《Science》、《Nature Energy》等期刊上。（論文鏈接：doi: 10.1038/s41586-023-05899-8）