浙工大以共同通讯单位再发《Nature》：新型固态电解质力挽狂“镧”

迄今为止，商业化锂电池多采用具有挥发性和易燃性的有机电解质，存在一系列安全问题。而全固态锂电池因其固有的安全性和热稳定性，被认为是极具应用前景的下一代电池技术。成功构筑全固态锂电池的关键在于找到兼具高离子电导率和高界面稳定性的固态电解质材料。

近日，tyc1286太阳集团材料科学与工程学院新能源材料与技术研究所陶新永教授课题组与中国科学技术大学姚宏斌课题组、李震宇课题组合作，在《Nature》发表题为《A LaCl₃-based lithium superionic conductor compatible with Li metal》的研究论文。该研究揭示了一类镧系金属卤化物基固态电解质新材料Li_xM_yLn_zCl₃ (Ln为镧系金属元素，M为非镧系金属元素)。

团队成员发现，以LaCl₃为代表的镧系金属卤化物LnCl₃（Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm等）晶格中天然具有丰富的一维大尺寸孔道，适合锂离子的高速传输，并可通过镧空位形成连续的三维传导。分子动力学模拟表明，具有独特非密堆积原子排列方式的LaCl₃晶格框架可实现13.2 mS cm^-1的室温离子电导率（图1）。团队成员选择高价掺杂策略来制造镧空位，得益于大尺寸高速离子通道和相邻通道间超强的交换作用，优化的Li_0.388Ta_0.438La_0.475Cl₃表现出3.02 mS cm^-1的高室温离子电导率和0.197 eV的低活化能，优于氧化物电解质和传统卤化物电解质，可与部分硫化物电解质相媲美。La的低电负性和梯度界面层的形成赋予了LaCl₃基电解质对锂金属良好的稳定性，组装的锂金属对称电池以0.2 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的面容量可稳定循环5000小时以上。基于此，组装的全固态锂金属电池无需负极垫层和正极包覆等额外的常用界面稳定手段，即可实现室温中百圈以上的循环。此外，团队成员还发现，镧系金属卤化物可在容纳大量异种非镧系金属元素的同时仍保持快离子传输的UCl₃晶型结构特征。这个性质赋予了镧系金属卤化物框架极强的可拓展性，使镧系金属卤化物固态电解质Li_xM_yLn_zCl₃在未来通过合理的元素设计，具备实现更高界面稳定性、更快离子传导和更廉价原料成本的巨大潜力。具备UCl₃晶型特征结构的镧系金属卤化物固态电解质Li_xM_yLn_zCl₃将成为如硫化物中LGPS结构、氧化物中LLZO结构的一个全新的电解质家族。

中国科学技术大学姚宏斌教授、李震宇教授与tyc1286太阳集团陶新永教授为本文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中科院先导计划等项目的资助。tyc1286太阳集团陶新永课题组主要负责了本工作全固态锂电池材料的微结构表征（冷冻电镜观测）和界面稳定机制研究，其他相关系列研究成果近期发表在了《Science》、《Nature Energy》等期刊上。（论文链接：doi: 10.1038/s41586-023-05899-8）