VCU研發(fā)鋰超離子導(dǎo)體 提升固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電性

Li3SBF4晶體結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)外媒報(bào)道，弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(xué)（Virginia Commonwealth University，VCU）研究人員設(shè)計(jì)了新款鋰超離子導(dǎo)體（lithium superionic conductor），其鋰離子導(dǎo)電性可媲美有機(jī)電解液（organic liquid electrolytes）。

他們?cè)诿绹?guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（National Academy of Sciences，PNAS）上發(fā)表了一篇論文。研究人員在論文中宣稱，基于團(tuán)簇（Cluster）的鋰離子超導(dǎo)體的導(dǎo)電性極高，室溫下為0.01S/cm到0.1 S/cm以上，而活化能（activation energy ）較低，低于0.210 eV，能帶間隙（band gap）為8.5 eV。此外，其機(jī)械性能表現(xiàn)也極為出色，彈性十足，可抑制鋰樹突的增多。

Li3SBF4材料的物理模型

在鋰離子電池中，帶正極的鋰離子通過電解質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)。固態(tài)電解質(zhì)可提升安全性、能量值及能量密度。然而，鋰離子卻在液態(tài)電解質(zhì)內(nèi)卻能自由流動(dòng)。鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)性較差，對(duì)導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。

為提升固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電性，研究人員制作了一款計(jì)算模型，可去除單個(gè)負(fù)離子。負(fù)離子團(tuán)簇將取代空缺的離子，前者是原子團(tuán)簇，其所帶電子（electrons）要多于質(zhì)子（protons）。

VCU研究團(tuán)隊(duì)的方弘（Hong Fang）博士和Puru Jena教授實(shí)現(xiàn)了特定固態(tài)電解質(zhì)扭曲（twist）的具象化，前者由其他人員進(jìn)行過測(cè)試。最初，該電解質(zhì)歸屬于反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（antiperovskite）的晶族（family of crystals），其所含的正離子由三個(gè)鋰原子級(jí)一個(gè)氧原子構(gòu)成，正離子與單個(gè)氯原子相結(jié)合，因?yàn)楹笳呤秦?fù)離子。

在運(yùn)算建模中，他們用一個(gè)負(fù)離子取代了氯原子，該負(fù)離子由一個(gè)硼原子和四個(gè)氟原子組成。

Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶體結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)其研究發(fā)現(xiàn)，鋰超離子導(dǎo)體Li3SBF4與Li3S(BF4)0.5Cl0.5大體上擁有成為理想固態(tài)電解質(zhì)的潛質(zhì)。

Li3SBF4的能帶間隙為8.5 eV，RT導(dǎo)電性為0.01S/cm，活化能為0.210 eV，形成能（formation energy）相對(duì)較小，機(jī)械性能也很理想。而Li3S(BF4)0.5Cl0.5的RT導(dǎo)電性大于0.1S/cm，活化能為0.176 eV。

兩位專家共同致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試其計(jì)算模型，旨在探究鋰離子電池應(yīng)用的最終形態(tài)。