基础科学研究所(IBS)纳米颗粒研究中心 KANG Kisuk 教授领导的研究人员宣布，他们在下一代固态电池领域取得了重大突破。据信，他们的新发现将能够创建基于新型氯化物固体电解质的电池，该电解质具有出色的离子电导率。
当前商用电池面临的一个紧迫问题是它们对液体电解质的依赖，这会导致易燃和爆炸的风险。因此，开发不可燃固体电解质对于推进固态电池技术至关重要。随着全球不断向可持续交通转型，各国加紧监管内燃机汽车并扩大电动汽车的使用，对二次电池(特别是固态电池)核心部件的研究取得了巨大的进展。
为了使固态电池适合日常使用，开发具有高离子电导率、强大的化学和电化学稳定性以及机械灵活性的材料至关重要。虽然之前的研究成功地产生了具有高离子电导率的硫化物和氧化物基固体电解质，但这些材料都没有完全满足所有这些基本要求。
过去，科学家们还探索了基于氯化物的固体电解质，该电解质以其优异的离子电导率、机械灵活性和高电压稳定性而闻名。这些特性使一些人推测氯化物电池最有可能成为固态电池。然而，这些希望很快就破灭了，因为氯化物电池由于严重依赖昂贵的稀土金属(包括钇、钪和镧系元素)作为次要成分而被认为是不切实际的。
为了解决这些问题，IBS 研究小组研究了氯化物电解质中金属离子的分布。他们认为三方氯化物电解质能够实现低离子电导率的原因是基于结构内金属离子排列的变化。
他们首先在氯化钇锂(一种常见的锂金属氯化物化合物)上测试了这一理论。当金属离子位于锂离子路径附近时，静电力会阻碍其运动。相反，如果金属离子占有率太低，锂离子的路径就会变得太窄，从而阻碍其迁移率。
基于这些见解，研究团队引入了设计电解质的策略，以减轻这些相互矛盾的因素，最终成功开发出具有高离子电导率的固体电解质。该小组进一步成功地展示了这一策略，创建了一种基于锆的锂金属氯化物固态电池，这种电池比采用稀土金属的电池便宜得多。这是首次证明金属离子排列对材料离子电导率的重要性。
这项研究揭示了金属离子分布在氯化物固体电解质离子电导率中经常被忽视的作用。预计IBS中心的研究将为各种氯化物固体电解质的开发铺平道路，并进一步推动固态电池的商业化，有望提高储能的经济性和安全性。
通讯作者 KANG Kisuk 表示：“这种新发现的氯化物基固体电解质有望超越传统硫化物和氧化物基固体电解质的局限性，使我们距离固态电池的广泛采用又近了一步。”
这项研究于 2023 年 11 月 3 日发表在世界上最负盛名的科学期刊之一《科学》杂志上。
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