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【創(chuàng)新成果】

固態(tài)鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一是快速離子導(dǎo)體，然而無機(jī)晶體中晶體結(jié)構(gòu)與離子電導(dǎo)及輸運(yùn)機(jī)制之間的內(nèi)在關(guān)系仍不明確，使得尋找和設(shè)計(jì)具有低遷移勢(shì)壘的離子導(dǎo)體成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心E01課題組通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)闡明了孤立陰離子在快離子導(dǎo)體中的核心作用，提出了基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)新范式，并為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供了理論指導(dǎo)和高通量篩選框架。該研究成果以“New Fast Ion Conductors Discovered through the Structural Characteristic Involving Isolated Anions”為題發(fā)表在npj Computational Materials [npj Comput Mater 11, 67 (2025)]上，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士研究生楊其凡為第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所肖睿娟副研究員、李泓研究員為通訊作者。

【主要亮點(diǎn)】

1、提出孤立陰離子作為新型結(jié)構(gòu)特征。

論文首次提出孤立陰離子（不與固定陽離子鍵合，僅與鋰離子弱相互作用）可作為設(shè)計(jì)高離子導(dǎo)體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。通過孤立陰離子的局域環(huán)境（如對(duì)稱性、間距、排列和元素類型），可調(diào)控鋰離子遷移的能勢(shì)景觀，形成低能壘的籠狀傳輸通道。

2、揭示孤立陰離子誘導(dǎo)的“挫折現(xiàn)象”

發(fā)現(xiàn)孤立陰離子通過形成球形平滑能勢(shì)表面，引發(fā)晶體結(jié)構(gòu)中的“挫折現(xiàn)象”（frustration phenomenon）。這種機(jī)制導(dǎo)致鋰離子在多個(gè)等效低能位點(diǎn)間快速遷移，顯著降低遷移能壘，從而提升離子電導(dǎo)率。

3、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離子傳輸?shù)亩坑绊憽?/span>

局域?qū)ΨQ性：孤立陰離子周圍的高點(diǎn)群對(duì)稱性（如Td對(duì)稱性）促進(jìn)籠狀通道的形成，增強(qiáng)籠內(nèi)傳輸效率。排列間距：孤立陰離子間距小于臨界值（如5.22 Å）時(shí)，籠狀通道可通過共享面連接，實(shí)現(xiàn)籠間高效傳輸。元素類型：不同孤立陰離子（如Se²?、Cl?）與鋰離子的靜電相互作用差異（通過Ewald能量量化）影響籠狀通道的分布與連通性。

4、高通量篩選發(fā)現(xiàn)新型離子導(dǎo)體。

結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（ICSD、Materials Project）和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬，篩選出四類含孤立陰離子（N³?、Cl?、I?、S²?）的新型快離子導(dǎo)體（如Li?N?I、Li?CrCl?），驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的普適性。

【圖文解讀】

圖：a. 具有孤立陰離子的Li6PS5Cl結(jié)構(gòu)及其籠狀傳輸路徑；b. 孤立陰離子的局域結(jié)構(gòu)點(diǎn)群對(duì)稱性對(duì)離子傳輸能力的影響；c. 孤立陰離子之間的距離和元素類型對(duì)離子傳輸能力的影響；d. 以孤立陰離子為特征進(jìn)行高通量篩選得到的四類離子導(dǎo)體，每類選取一個(gè)代表性的化合物。

論文地址：

https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202504/t20250407_7589506.html

本文主要參考地址：

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