新材料为高性能全固态电池的实际应用开辟新路径

今日新闻 2025年10月11日 06:17 0 aa

近日，宁波东方理工大学讲席教授孙学良团队与合作者开发了一种新型超离子导体，为实现高性能全固态电池，特别是在极端环境下具有优异循环稳定性和倍率性能提供了新的技术路径。

北京时间10月10日，相关研究成果在《科学》发表。

研究团队开发了一种新型超离子导体——Li3Ta3O4Cl10，该导体刷新了卤化物基固态电解质的室温离子电导率，达到了13.7毫西门子每厘米(mS/cm)，并实现了零下50度环境下超稳定的全固态电池。相关研究破解了围绕卤氧化物电解质的晶体结构及离子传输机的谜团，并拓宽了其在极端环境下的优异性能，为高性能全固态电池的实际应用开辟了新的发展路径。

据悉，作为全固态电池的核心材料之一，固态电解质材料是目前研究的一大热点。离子电导率是固态电解质的关键性能，其次是固态电解质与正/负极材料之间的界面相容性。不过，目前固态电解质研究领域存在以下两大挑战。

一是低能垒锂传输路径普遍只存在于硫化物的局限性。固体中的锂离子传输由阴离子框架和锂配位环境决定。硫化物中极高的离子电导率源于具有面共用"Tet-Tet"锂离子迁移路径的体心立方型阴离子亚晶格。然而在其他固态电解质的阴离子框架中，理想的"Tet-Tet"路径却很少被报道。

二是单一阴离子框架固态电解质应用的瓶颈。无机固态电解质的种类主要分为硫化物、氧化物和卤化物。硫化物基无机固态电解质在室温下的离子电导率可媲美传统的液态电解液。然而，硫化物固态电解质空气稳定性和电极材料兼容性差。氧化物与硫化物相比展现出更好的（电）化学稳定性，但其室温离子电导率不足。卤化物具有良好的离子电导率以及与层状氧化物正极活性材料的良好兼容性，但是其在空气中易潮解并且对金属锂不兼容。

基于长期在卤化物固态电解质的研究基础，孙学良团队及其合作者设想了一种混合阴离子策略，旨在设计一个氧角共享的氧氯化物阴离子框架结构，以诱导形成连续的“Tet-Tet”低能垒锂离子迁移通道。另外，鉴于不同阴离子化学在离子电导率和（电）化学稳定性方面的独特优势，这种方法有可能在保持高离子电导率的同时，替代液态电解质并增强（电）化学稳定性，与之一同发展的混合阴离子化学也将会成为一种有前景而亟需探索的领域。

研究发现，通过共熔法制备的Li3Ta3O4Cl10电解质具有高度结晶性，其中具有螺旋特征的Ta-O/Cl长链结构诱导形成低配位、畸变的Li-Cl亚晶格，这对于产生连续的三维的”Tet-Tet”传输路径起到至关重要的作用。室温离子电导率到达目前卤化物基电解质中的最高值13.7 mS/cm，活化能仅为0.228 eV。

此外，研究表明，该电解质材料相较于传统的硫化物和卤化物材料具有显著提高的空气稳定性。该材料结构还具有高晶格容忍度的特点，适用于各类阴阳离子掺杂，用以实现低成本应用和金属锂兼容性。

最终，得益于该电解质超高的离子电导率以及与高镍正极材料的优异界面兼容性，所构建的全固态电池在室温条件下实现了高倍率（3C）充放电超过4000圈的稳定循环表现；更为突出的是，在极端低温（-50℃）环境下，电池在0.1C电流密度下仍可稳定循环超过2000圈，展现出卓越的低温循环稳定性和可靠性。

相关论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adt9678