盖世汽车讯 两年前，一种新型材料被报道具有异常高的锂离子电导率。据外媒报道，如今，名古屋大学（Nagoya University）的研究人员揭示了其性能如此优异的原因，并使其在氧化物类固体电解质中实现了创纪录的室温电导率。

图片来源：名古屋大学

每次办理登机手续时，都会被要求确认托运行李中没有便携式充电器或移动电源，这其中自有缘由。这些设备使用的锂离子电池内部含有易燃的液态电解质，用于在电池电极之间传输锂离子。因此，如果锂离子电池损坏，其液态电解质可能会引发灾难性的火灾。

固态电解质有助于降低这种风险，目前是研究的热点领域。制造固态电池面临的最大挑战之一是提高其离子电导率，也就是提高带正电荷的锂离子在固态电解质中的移动效率。

有些含有硫化物和氯化物基材料的固体电解质具有高导电性。这种导电性源于带负电荷的硫化物或氯离子周围的电子云在锂离子穿过材料时容易发生形变。但这些电解质也存在安全隐患：暴露于潮湿环境中会释放硫化氢和氯化氢等有毒气体。

相比之下，氧化物和氧氟化物则更加稳定可靠。用作固体电解质时，它们的电化学稳定性也更高，这一点至关重要，因为电池材料在充放电过程中会经历反复的电压变化。但另一方面，它们的导电性通常较低。

“现阶段，安全性和离子导电性需要权衡，”名古屋大学（Nagoya University）材料设计创新工程系副教授Takeshi Yajima表示，“氧氟化物更安全，但导电性低；而硫化物导电性高，但可能存在危险。”

2024年，一种化学式为Li2–xLa(1+x)/3Nb2O6F（简称“LLNOF”）的新型氟氧化物晶体被发现具有异常大的电导率，达到7毫西门子/厘米（mS/cm），与液体电解质相当。但为什么它表现出这种导电性仍然是一个谜：中心氟离子周围的电子云不像硫化物或氯化物那样容易变形，无法通过先前已知的机制解释 LLNOF 的行为。

这一发现后不久，Takeshi Yajima和他的实验室决定自行培育高质量LLNOF单晶来确定这一机制。Takeshi Yajima说，这是最难的部分，花了一年多的时间才完成。“我们必须确保晶体的质量足以进行结构分析，”他说。

但研究人员的努力取得了成果，他们能够使用布里奇曼方法生长出毫米级的LLNOF单晶。利用单晶衍射，他们能够窥视每个晶体单元内原子的局部排列和重排。

揭示秘密

研究人员发现，LLNOF中围绕氟离子形成四面体的四个原子位点之间存在动态相互作用。每个位点可以容纳锂离子、镧原子，或者保持空位。研究人员发现，每当一个锂离子跃迁到下一个空位时，中心的氟离子就会略微向锂离子原来的位置移动。氟离子有效地“让路”，降低了锂离子跃迁的能量势垒。

这就是为什么与其他原子保持刚性的氧氟化物相比，LLNOF表现出更高的锂离子电导率。

研究人员随后通过改变LLNOF晶体中锂、镧和空位（化学式中的“x”）的相对含量，调整了晶体的组成。他们发现，降低x值可以提高电导率，最高可达16.3 mS/cm。这一结果代表了目前报道的氧化物类固体电解质中最高的体相锂离子电导率，并已发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

Yajima认为，这种不依赖于高极化离子的机制可用于开发更高效的固体氧化物基固体电解质。“人们普遍认为，硫化物基材料由于其阴离子特性而具有更好的导电性，但这种机制挑战了这种认知，”他补充道。这项研究标志着在实现实用型固态锂离子电池方面迈出了重要一步。