物理所基於材料基因組的鋰電池固態電解質設計取得進展

材料基因組是近年來興起的材料探索方法，其研究的關鍵是實現材料研發的「高通量」，即並髮式完成「一批」而非「一個」材料樣品的計算模擬、製備和表徵，實現系統的篩選和優化材料，從而加快材料從發現到應用的過程。在鋰電池中，從改善安全性的角度考慮，全固態鋰電池被公認為未來二次電池的重要發展方向。然而使用固體電解質材料的一個最大問題是固體電解質中鋰離子電導率比常規液態電解質中低了至少一個數量級。由於鋰離子的輸運快慢與電池性能息息相關，因此開發兼具高離子電導率、高穩定性、高機械強度的固體電解質材料勢在必行。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）清潔能源實驗室E01組近年來一直致力於將材料基因組思想用於鋰電池材料的開發中。但是基於量子力學方法的離子輸運性質計算的運算量很大，不適合於發展高通量演算法。研究人員通過開發基於半經驗勢的離子輸運路徑與勢壘計算軟體BVpath（計算機軟體著作權登記號：2015SR161954），並將不同計算精度的方法相結合用於材料篩選和優化的不同階段，由此發展了基於離子輸運性質的鋰電池材料高通量計算流程。使用該高通量計算工具，研究人員對無機晶體結構資料庫中1000 余種含鋰材料的離子輸運性質進行了高通量計算篩選，搜索了可能用於下一代固態鋰二次電池的固態電解質材料【J Materiomics 1,325(2015)】。對於鋰離子電導率較高的硫化物，採用不同精度結合的高通量計算研究了固體電解質β-Li3PS4 的摻雜優化方案，發現氧摻雜能有效提高離子電導率和改善其熱力學穩定性，並通過實驗驗證了該方案【Sci. Rep. 5, 14227(2015); Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 21269(2016)】。

近期，該課題組中國工程院院士陳立泉、研究員李泓和副研究員肖睿娟指導博士生王雪龍，從上述氧摻雜硫化物的方案出發，提出了在固體電解質中引入多種陰離子共存的設計思想，並據此設計出一種全新的氧硫化物固體電解質LiAlSO材料。通過基於晶體結構預測方法的高通量計算，確定了該材料的晶體結構，並研究了其熱力學穩定性、動力學穩定性和離子輸運性質。計算結果顯示該化合物在a軸方向具有很低的鋰離子遷移勢壘，屬於快離子導體，有望成為固態鋰電池中固體電解質的備選材料。該材料已申請國家知識產權局專利保護（專利申請號: 201710046965.8）。這是基於材料基因組思想開發出的第一個全新結構的固體電解質材料，並且將固體電解質材料的研究範圍拓展至氧硫化物及混合陰離子化合物的領域。這一研究成果作為編輯推薦論文在《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 195901 (2017)）上發表。

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圖1 通過計算預測得到的（a）Pmc21空間群LiAlSO的晶體結構，沿（b）b-軸和（c）c-軸的視圖以及（d）計算得到的聲子譜。灰色、黃色和紅色的圓球分別代表Li，S和O原子。四面體代表AlS2O2單元。

圖2 計算得到的Pmc21-LiAlSO的動力學性質。（a）通過BVpath程序計算得到的LiAlSO中的鋰離子輸運通道以及由密度泛函方法計算得到（b）Li+沿a方向由間隙離子與晶格位離子協同運動的遷移勢壘，（c）Li+沿a軸方向空位遷移的勢壘，（d）Li+沿c方向間隙離子遷移的勢壘。

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