近日，北京大学材料科学与工程学院邹如强教授课题组在《自然•通讯》（Nature Communications）期刊上发表题为“Boosting lithium ion conductivity of antiperovskite solid electrolyte by potassium ions substitution for cation clusters”的研究论文。该工作通过在反式钙钛矿固态电解质结构中引入钾离子，实现了对晶格团簇阳离子的取代，导致该材料在室温下发生结构相转变，并显著提升其离子电导率。


钾离子在反式钙钛矿结构中对阳离子团簇的取代机制

锂离子电池广泛应用于数码产品、无人机、电动汽车等领域，但仍然存在安全隐患和能量密度瓶颈等问题。固态电池技术有望解决传统锂离子电池所面临的问题，是极具发展前景的新型锂离子电池技术。发展固态电池技术的关键在于开发出性能优异的固态电解质材料，以保证固态电池内部良好的离子传输速率与界面兼容性。通常物质结构会直接影响其物理化学性质，因此晶格结构调控是优化固态电解质材料性能的重要方法。


锂离子在反式钙钛矿固态电解质结构中的迁移机制

基于以上背景，研究团队通过在反式钙钛矿固态电解质材料Li2OHCl中引入钾离子，将其结构由原始的正交相结构转变为立方相结构。结合中子衍射技术与原子对分布函数分析，研究团队揭示了该材料结构中引入的钾离子并没有以传统的元素掺杂方式取代锂离子，而是占据在[Li6OH]八面体的中心位置，并且取代了其中的团簇阳离子[Li2OH]+。第一性原理分子动力学模拟以及键价和理论计算表明，这种取代团簇阳离子的结构调控方式在导致相变的同时，也将锂离子的传输路径由原始的二维面内传导改变为三维网络的各向同性传导，并且降低了锂离子在晶格中的迁移势垒，从而显著提升其离子电导率。进一步，研究团队通过固态电池性能评估，验证了这种结构调控后的固态电解质材料具有良好的电化学性能，可同时兼容锂金属负极和商用磷酸铁锂正极并实现长时间的充放电循环。这项研究开创性地揭示了固态电解质晶格结构中金属离子取代团簇阳离子的深层机制，并为固态电解质材料的结构设计与性能优化提供理论指导。

邹如强为该论文的通讯作者，北京大学材料科学与工程学院博士后高磊为第一作者，合作者为南方科技大学前沿与交叉科学研究院韩松柏研究员。该工作得到国家自然科学基金委等机构的资助与支持。

论文信息：

L. Gao, X. Zhang, J. Zhu, S. Han, H. Zhang, L. Wang, R. Zhao, S. Gao, S. Li, Y. Wang, D. Huang, Y. Zhao, R. Zou, Nat. Commun. 14 (2023) 6807.

DOI: 10.1038/s41467-023-42385-1