梅东海/于吉红/张伟JACS：固态电池用表面导电锂超离子导体

研究内容

块状Li+导电锂超离子导体容易受到晶界和粒子间孔隙的破坏，需要高密度，从而限制了固态电池的重量能量密度。

天津工业大学梅东海/吉林大学于吉红/苏州大学张伟发现了一类通过表面化学吸附实现的新型表面导电锂超离子导体。在与配体结合后，惰性基底的表面原子成为锂盐解离的结合位点和快速表面Li+扩散的跳跃位点，将惰性材料转化为表面导电的Li+导体。使用二维TiO2纳米片作为概念证明，发现乙醇酸乙烯酯化学吸附的TiO2显著增强了锂盐的解离，促进了Li+在表面氧原子之间的快速跳跃，实现了3.61×10−7 cm2·V−1·s−1的高表面离子迁移率，比Li7La3Zr2O12固体氧化物电解质的体Li+迁移率提高了600%。得益于表面Li+导电性，开发了一种超轻氧化物气凝胶固态电解质，其密度达到了前所未有的0.29 g·cm-3，仅为液体电解质的25%和石榴石型固体电解质的5.7%。采用这种新型电解质的LiFePO4基固态电池具有约295 Wh·kg−1的显著高能量密度，即使在相同的电解质厚度下，其能量密度也是Li7La3Zr2O12基固态电池的160%。相关工作以“Surface-Conducting Lithium Superionic Conductors for Solid-State Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者提出了表面传导离子导体的概念，最大限度地减少晶界对离子传输的影响，从而开发超轻固态电解质和高能电池。尽管有这种潜力，但表面导电锂超离子导体的制造尚未实现，这给该领域带来了重大挑战。作者介绍了一类新型的表面导电锂超离子导体，通过在配体结合的纳米材料上离解锂盐形成的。

要点2. 惰性底物的表面原子在与配体结合后，既可以作为锂盐解离的结合位点，也可以作为Li+快速扩散的跳跃位点。使用无锂绝缘体TiO2作为概念证明，表明乙醇酸乙烯酯化学吸附的TiO2增强了锂盐的解离，促进了Li+在表面氧原子之间的快速跳跃，具有0.27 mS·cm−1的高离子电导率和0.21 eV的低Li+扩散势垒。

要点3. 实验结果和从头计算分子动力学（AIMD）模拟显示，表面Li+迁移率为3.61×10−7 cm2·V−1·s−1，比Li7La3Zr2O12固体氧化物电解质的体迁移率提高了600%。这种表面传导途径能够制造出密度创纪录的0.29 g cm−3的超轻氧化物气凝胶固态电解质，大约是传统石榴石氧化物电解质的十七分之一，是液体电解质的四分之一，从而为固态电池带来约550 Wh·kg−1的高潜在实际能量密度。

研究图文

图1.块状和表面导电锂超离子导体的比较。

图2.基于配体键合纳米材料的表面导电Li+导体设计。

图3.TiO2基表面Li+导体的物理性质和Li+传输机制。

图4. 超轻氧化物气凝胶SSE和高能固态电池的演示。

文献详情

Surface-Conducting Lithium Superionic Conductors for Solid-State Batteries

Bing Ai, Wenru Zhao, Malin Li, Wei Zhang,* Donghai Mei,* Jihong Yu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c16447

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