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东京工业大学Ryoji Kanno教授团队 Science: 一种用于毫米级厚度电池电极的锂超离子导体

时间：2023-07-10 来源：浏览：

东京工业大学Ryoji Kanno教授团队 Science: 一种用于毫米级厚度电池电极的锂超离子导体

原创化学与材料科学化学与材料科学

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功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

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全固态锂电池引起了广泛研究兴趣，因为固态电池具有提高安全性和增强能量-功率特性的潜力。经过数十年的研究，全固态电池能够以>10 mA cm ⁻² 的高电流密度放电。尽管这些固态电解质的电导率与液态电解质的电导率相当，但它们的刚性可能是一个缺点。由于正极活性材料的表面难以润湿，固态电解质必须在微观结构水平上并入电极中，从而导致其内部存在空隙空间。这阻碍了Li ⁺ 向活性材料的均匀传输，导致容量损失。这个问题可能在毫米厚的电极中变得更加明显，当固态电解质的电导率较低时，欧姆压降会增加，导致固态电池容量衰减严重。无机离子导体的发展历史表明，电导率的增强是通过多重取代策略实现的。多重取代方法对于实现具有更高离子电导率的相具有前景，前提是材料具有超离子传导路径的特定晶体结构，例如LGPS型晶体结构。然而，还没有实际的原理来实现阴离子和阳离子的组成复杂性或避免目标晶体结构的崩溃。因此，这种多元素替代策略尚未用于设计具有高电导率的超离子晶体。

日本东京工业大学Ryoji Kanno教授团队 利用高熵材料的特性，通过增加已知锂超离子导体的组成复杂性来消除离子迁移屏障，同时保持超离子传导的结构框架，从而设计了一种高离子导电固体电解质。具有组成复杂性的合成相显示出改善的离子电导率，表明高导电性固态电解质能够在室温下对厚锂离子电池正极进行充放电，因此有可能改变传统的电池配置。相关文章以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”为题发表在 Science 上。

该研究设计了一系列具有Li _9.54 [Si _1−δ M _δ ] _1.74 P _1.44 S _11.1 Br _0.3 O _0.6 （M = Ge，Sn；0 ≤ δ ≦ 1）组成的固体电解质，以实现高配置熵，同时保持其具有超离子导电路径的晶体结构。单相LSiGePSBrO（M = Ge，δ = 0.4）的体内电导率在25°C时为32 mS cm ⁻¹ 。理论计算和结构分析表明，即使在LSiGePSBrO中进行了少量化学取代，也可以降低离子迁移的能垒，从而解释了该相中观察到的电导率增强现象。将LSiGePSBrO作为阳极液体的全固态电池，采用厚型阴极（厚度为800 μm），在25°C和-10°C下分别显示出22.7和17.3 mAh cm ⁻² 的放电容量，相应地活性物质利用效率分别为97%和73%。这项研究强调了在采用厚型阴极配置的全固态锂电池的充放电性能中高电导率的重要性。本研究提出的设计原则可能加速超离子导体的探索。