东京研究人员揭示稳定、高导电性的锂离子导体

东京理科大学的科学家们发现了一种稳定、高导电性的锂离子导体，为一种钛酸盐型氧氟化物。 这项创新解决了非硫化物固态电解质的需求。

全固态锂离子电池 相较于液态电解质对手，提供了更高的安全性和能量密度，但面临着电导率较低、电极接触不足等挑战。这种非硫化物固态电解质具有更高的电导率和稳定性，为改进性能和安全性更高的全固态锂离子电池铺平了道路。

该研究论文已在《化学材料》期刊上发表。东京理科大学由藤本研二教授、相见昭久教授和株式会社电装的吉田修博士等人领导的研究团队发现了一种稳定且高导电性的锂离子导体，即一种钛酸盐型氧氟化物。

具有固态电解质的全固态锂离子（Li-ion）电池是非易燃的，比液态电解质的电池拥有更高的能量密度和转移数。它们预计将在常规液态电解质锂离子电池市场（如电动车）中占据一席之地。

然而，尽管具有这些优势，固态电解质的锂离子电导率较低，实现足够的电极-固态电解质接触也具有挑战性。硫化物型固态电解质具有导电性，但会与水分反应形成有毒的二硫化氢。因此，需要非硫化物固态电解质，既具有导电性又在空气中稳定，可以制造安全、性能优越且充电速度快的固态锂离子电池。

根据藤本教授的说法，"制造全固态锂离子二次电池一直是许多电池研究人员长久以来的梦想。我们发现了一种氧化物固态电解质，它是全固态锂离子电池的关键组成部分，既具有高能量密度又具有安全性。除了在空气中稳定外，这种材料展现出比先前报道的氧化物固态电解质更高的离子导电性。"

本研究中研究的钛酸盐型氧氟化物可以表示为Li2-xLa(1+x)/3M2O6F（M = Nb, Ta）。通过采用多种技术，包括X射线衍射、Rietveld分析、电感耦合等离子体光谱法和选区电子衍射等，对其进行了结构和成分分析。具体开发了Li1.25La0.58Nb2O6F，展示出室温下的7.0 mS cm的电荷体积导电率-1和总离子导电率为3.9 mS cm-1。

它比已知氧化物固态电解质的锂离子导电性要高。这种材料的离子传导激活能极低，在低温下的离子导电性在已知固态电解质中是最高之一，包括硫化物基材料。事实上，在-10°C时，新材料的导电性与常规氧化物基固态电解质在室温下相同。此外，由于在100°C以上的导电性也得到验证，这种固态电解质的操作范围为-10°C至100°C。常规锂离子电池无法在冰点以下的温度下使用。因此，常用手机的锂离子电池的操作条件为0°C至45°C。

对该材料中的Li离子传导机制进行了研究。钛酸盐型结构的传导路径覆盖了位于MO6八面体所创造隧道内的F离子。传导机制是Li离子在与F离子改变键合的同时顺序移动。Li离子总是通过亚稳位置向最近的Li位置移动。连接到F离子的不动态La3+通过阻塞传导路径和消失周围亚稳位置，抑制了Li离子的传导。

与现有的锂离子二次电池不同，基于氧化物的全固态电池不会因损坏而发生电解液泄漏，并且不像基于硫化物的电池一样产生有毒气体。因此，这项新创新有望引领未来研究。"新发现的材料既安全又具有比先前报道的氧化物基固态电解质更高的离子导电性。这种材料的应用有望推动具有广泛温度范围、从低温到高温均可运行的革命性电池的发展，"藤本教授展望道。"我们相信该材料的性能已满足电动汽车中应用固态电解质所需的要求。"

值得注意的是，新材料非常稳定，即使受损也不会引燃。它适用于飞机等安全关键场所。由于可在高温下使用并支持快速充电，因此也适用于高容量应用，如电动汽车。此外，它也是电池、家用电器和医疗设备微型化的有望材料。

总之，研究人员不仅发现了具有高导电性和空气稳定性的锂离子导体，还介绍了一种新型的钛酸盐型氧氟化物的超离子导体。探索针对固态电解质的局部结构、在传导过程中的动态变化以及其作为全固态电池固态电解质的潜力是未来研究的重要领域！

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这则新闻引发了许多高水平的电池兴奋情绪。但缺少某种经济成本形式使得一些人对其持保留态度。这项技术与现有更好的当前制造技术相比的生产成本未被讨论。

但可以肯定地说有人正在研究。这项技术可以使人们获得一个在大约13°F至212°F范围内工作的不可燃的锂离子电池。不易燃的特点比大多数人所认为的更重要。

然而，电池在有限空间内储存了相当多的能量。尚未披露风险可能是什么。但哇！

看起来相当不错。

作者：Brian Westenhaus，摘自New Energy and Fuel

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