安全高效的能源：科学家发现了改变游戏规则的电池材料

科学家们发现了一种稳定的高导电性锂离子导体，可以用作固态锂离子电池中的固体电解质。

使用固体电解质的固态锂离子电池不易燃，与液体电解质相比，具有更高的能量密度和离子转移数。这些特点使其成为传统液体电解质电池（包括电动汽车）主导市场的潜在替代品。尽管有这些优点，但固体电解质也存在一些缺点，比如锂离子电导率较低，难以在电极和固体电解质之间保持足够的接触。

虽然硫化物基固体电解质具有导电性，但它们会与水分发生反应，形成有毒的二硫化氢。因此，为了制造安全、高性能、快速充电的固态锂离子电池，需要一种既导电又在空气中稳定的非硫化物固体电解质。

在最近发表在《材料化学》杂志上的一项研究中，由藤本健次郎教授、东京科学大学的Akihisa Aimi教授和DENSO 公司的吉田修平博士领导的研究小组，发现了一种稳定且高导电的烧绿石型氟氧化物形式的锂离子导体。

藤本教授表示：“制造全固态锂离子二次电池是许多电池研究人员长期以来的梦想。我们发现了一种氧化物固体电解质，它是全固态锂离子电池的关键组成部分，它具有高能量密度和安全性。除了在空气中稳定外，这种材料比以前报道的氧化物固体电解质表现出更高的离子导电性。”

详细分析与性能

本文研究的烧绿石型氟氧化物可以表示为Li2-xLa（1+x）/3M2O6F（M=Nb，Ta）。使用各种技术对其进行了结构和成分分析，包括X射线衍射、Rietveld分析、电感耦合等离子体发射光谱法和选区电子衍射。具体来说，Li1.25La0.58Nb2O6F在室温下的总体离子电导率为7.0 mS cm⁻¹，总离子电导率为3.9 mS cm⁻¹。它的电导率高于已知氧化物固体电解质锂离子的电导率。该材料离子电导率的活化能极低，在低温下该材料的离子电导率是包括硫化物基材料在内的已知固体电解质中最高的之一。

准确地说，即使在-10°C下，新材料在室温下也具有与传统氧化物基固体电解质相同的导电性。此外，由于在100°C以上的导电性也已得到验证，因此该固体电解质的工作范围为-10°C至100°C。传统的锂离子电池不能在冰点以下的温度下使用。因此，常用手机的锂离子电池的工作条件为0℃~ 45℃。

研究了锂离子在该材料中的传导机理。烧绿石型结构的传导路径覆盖了位于MO6八面体形成的通道中的F离子。其传导机制是锂离子的序贯运动同时改变与F离子的键。Li离子移动到最近的Li位置，总是经过亚稳位置。固定在F离子上的La3+通过阻断传导路径和消失周围的亚稳位置来抑制li离子的传导。

与现有的锂离子二次电池不同，氧化物基全固态电池没有因损坏而导致电解质泄漏的风险，也没有像硫化物基电池那样产生有毒气体的风险。因此，这一新的创新有望引领未来的研究。“新发现的材料是安全的，比以前报道的基于氧化物的固体电解质表现出更高的离子电导率。这种材料的应用有望开发革命性的电池，可以在从低到高的广泛温度范围内工作，”藤本教授设想道。“我们相信，固体电解质在电动汽车上的应用所需要的性能是可以满足的。”

值得注意的是，这种新材料非常稳定，即使损坏也不会着火。它适用于飞机和其他安全至关重要的地方。它也适用于高容量应用，如电动汽车，因为它可以在高温下使用，并支持快速充电。此外，它也是电池、家用电器和医疗设备小型化的有前途的材料。

总之，研究人员不仅发现了一种具有高导电性和空气稳定性的锂离子导体，而且还引入了一种新型的烧绿石型氟氧化物超离子导体。探索锂周围的局部结构、它们在导电过程中的动态变化，以及它们作为全固态电池固体电解质的潜力是未来研究的重要领域！

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