全固態(tài)鋰離子電池有望成為下一代的鋰離子電池，實(shí)現(xiàn)更高的安全性和能量密度。全固態(tài)鋰離子電池的核心組成部分便是固體無機(jī)快離子導(dǎo)體，但目前對(duì)于其中的離子輸運(yùn)原理理解并不完全。近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)材料系的莫一非教授研究組通過第一性原理計(jì)算，闡述了無機(jī)快離子導(dǎo)體中的離子輸運(yùn)原理，提出并證實(shí)了一種普適通用的設(shè)計(jì)快離子導(dǎo)體的全新策略。
基于密度泛函理論的分子動(dòng)力學(xué)模擬，該團(tuán)隊(duì)研究了已知快離子導(dǎo)體中的離子運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)多個(gè)離子的協(xié)同躍遷是已知快離子導(dǎo)體中關(guān)鍵的輸運(yùn)模式，具有極低的躍遷能壘。對(duì)各快離子導(dǎo)體的進(jìn)一步研究表明，多離子協(xié)同躍遷中各個(gè)離子所處的位置能量不盡相同。各離子協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，離子能量互相抵消，便能表現(xiàn)出極低的能壘。基于這一理論模型，新的材料設(shè)計(jì)策略得以提出，通過摻雜激發(fā)協(xié)同躍遷，該材料的設(shè)計(jì)策略在一些新的材料中得到了證實(shí)，數(shù)種全新的快離子導(dǎo)體通過第一性原理計(jì)算設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)得出。
這一成果近期發(fā)表在Nature Communications 上。美國(guó)工程院院士、加州大學(xué)伯克利分校材料系的教授Gerbrand Ceder 對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)： “Solid-state batteries are a promising new direction to provide energy storage with high energy density and good safety. This work provides another important step forward in understanding the origin of the very high Li conductivity in some solids, as it highlights the importance of high Li content in the material leading to more concerted motion.”
斯坦福大學(xué)材料系的教授崔屹表示：“Understanding the fundamental mechanism on how ions move fast in solid state will have profound impact to batteries, fuel cells and other electrochemical technologies. The work by Yifei Mo offers a new and important insight on fast ion transport and provides new materials principles for finding the new solid electrolyte.”
馬里蘭大學(xué)的莫一非教授課題組在固態(tài)離子導(dǎo)體和固態(tài)電池研究方面取得了一系列的突破和成果，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Nature Materials、Advanced Materials、 Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、Advanced Science 等期刊上，主要致力于材料設(shè)計(jì)、界面穩(wěn)定性和退化機(jī)理的研究以實(shí)現(xiàn)高效的全固態(tài)電池。
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