[技术前沿]新型固体电解质材料

利物浦大学的研究人员公布了一种新型固体电解质材料，这种材料能够以与液体电解质相同的速度传导锂离子，这是一项可能重塑电池技术格局的重大突破。

固体电解质比液体电解质有一个关键的好处——它们不会爆炸。当然，到目前为止，安全性的提高是以性能下降为代价的。具体而言，固体电解质通常更不善于将锂离子传导通过其材料。

UNIVERSITY OF LIVERPOOL

现在，利物浦的研究人员已经用一种由锂、硅、硫和碘制成的新型固体电解质解决了离子传输问题，该电解质呈三维晶体结构。研究人员于2月16日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果

（https://dx.doi.org/10.1126/science.adh5115）。

这种结构为锂离子在材料中确定位置提供了15种不同的途径。这些途径被称为配位环境，指的是带正电的离子（阳离子）被相邻的原子或分子包围并与之相互作用的方式。

这些途径的数量标志着与当前最先进的锂固体电解质的显著不同，后者的晶体结构中通常只有三到四种不同的锂环境。

“This material is not directly competing with established solid electrolytes. The aim of this research is to pioneer a new direction in solid electrolyte discovery, focusing on enhancing lithium mobility and overall battery performance.”—MATTHEW ROSSEINSKY, UNIVERSITY OF LIVERPOOL

“环境为锂在晶体结构中的移动提供了大量的途径，”利物浦大学教授、该论文的合著者之一Matthew Rosseinsky说，“此外，材料中的锂环境存在高度无序。对于固体中的离子传输，无序程度越高越好。”

Rosseinsky表示，晶格中锂运动的多种途径允许有效的离子导电性。与支持更少、更相似路径的传统固体电解质不同，这种新材料将更高密度的结构与多种路径相结合，为锂离子提供了多种运动选择。这种结构多样性降低了离子捕获的可能性，并提高了整体电导率。

在对该材料的研究中，研究人员证实，该材料的异常电导率与液体电解质的电导率相当。此外，该材料表现出低活化能，表明锂离子运动的能量屏障最小。研究人员认为，这些有希望的结果将这种新材料定位为下一代电池技术中用作固体电解质的可行候选者。

Rosseinsky表示，在实际的电池应用中，这种新材料表现出了令人印象深刻的性能特征。与传统的液体电解质相比，这种新材料作为全固态电池配置的电解质与锂钴氧化物阴极和锂金属阳极一起工作，具有更好的能量密度、功率密度和循环寿命。

Rosseinsky说：“这种材料与现有的固体电解质没有直接竞争。这项研究的目的是开拓固体电解质发现的新方向，专注于提高锂的迁移率和电池的整体性能。”Rosseinsky还强调，新型固体电解质的成分由无毒、地球丰富含量的元素组成，强调了其潜在的环境效益。

Rosseinsky另外提到：“由于锂、硅、硫和碘易于获得且无毒，这种材料与电池行业实现可持续性和资源利用效率的努力相一致。此外，地球丰富元素的使用支持电池回收、最大限度地减少环境影响和促进循环经济的举措。”

这一进展的意义不仅仅局限于电池研究。研究人员将人工智能模型纳入他们的研究，这使他们能够扩大对可能的高性能材料的搜索。在研发过程中，人工智能促进了有前景的化学成分的识别，引导研究人员寻找具有独特结构特征的有利于离子传输的材料。

然而，Rosseinsky指出，“人工智能对研究人员来说是一个有用的工具。但这个过程始终由研究人员自己根据他们的理解进行指导，并借鉴了各种各样的方法，其中大多数都没有使用人工智能。”

Rosseinsky承认，在广泛采用这种材料方面仍然存在挑战。该材料在空气和湿气中的不稳定性是制造过程中的一个重大障碍，需要在电池组装过程中控制环境以保持稳定性。此外，尽管这种新材料提供了有前景的性能特征，但还需要进一步研究，以优化其合成、可扩展性以及与现有电池技术的兼容性。

文章来源：IEEE电气电子工程师学会