高熵超离子固态导体的新设计规则

东京工业大学的研究人员报告说，通过增加复合超离子晶体的复杂性，可以为毫米厚的电池电极设计具有高锂离子电导率的固体电解质。这种新的设计规则使得能够合成高熵活性材料，同时保持其超离子传导性。

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【高熵超离子固态导体的新设计规则】随着世界向更绿色、更可持续的能源经济转型，对锂离子电池的依赖预计将会增加。来自世界各地的科学家正在努力设计更小但更高效的电池，以满足不断增长的能源存储需求。近年来，全固态锂电池(ASSLB)由于其独特地使用固体电解质而不是传统的液体电解质而引起了研究兴趣。固体电解质不仅使电池更安全，避免泄漏和火灾相关的危险，而且还提供卓越的能量和功率特性。然而，它们的刚性导致阴极表面润湿性差，并且缺乏向阴极均匀供应锂离子的能力。这反过来又导致固态电池的容量损失。
幸运的是，最近发表在《科学》杂志上的一项研究找到了解决这个问题的方法。该论文由东京工业大学 (Tokyo Tech) 的 Ryoji Kanno 教授领导的研究小组撰写，描述了一种生产具有增强锂离子电导率的固体电解质的新策略。他们的工作建立了通过多取代方法合成锂超离子导体高熵晶体的设计规则。
“许多研究表明，无机离子导体在多元素取代后往往会表现出更好的离子电导率，这可能是因为锂离子迁移的势垒变平，这对于更好的离子电导率至关重要，”菅野教授指出。这是他们开始研究的地方。在新材料的设计中，该团队从两种著名的锂基固体电解质的化学成分中获得灵感：银银矿型(Li 6 PS 5 Cl)和LGPS型(Li 10 GeP 2 S 12)超离子晶体。他们修改了LGPS型Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3通过多重取代合成了一系列组成为Li 9.54 [Si 1−δ M δ ] 1.74 P 1.44 S 11.1 Br 0.3 O 0.6 (M = Ge, Sn; 0 ≤ δ ≤ 1)的晶体。
研究人员使用 Ge = M且 δ = 0.4 的晶体作为 ASSLB 中的阴极电解液，阴极厚度为 1 或 0.8 毫米。前者和后者的ASSLB在25℃(1mm)下的放电容量分别为26.4mAh cm -2和-10℃(0.8mm)下的17.3mAh cm -2，面积比容量分别为1.8倍和5.3倍分别比之前最先进的 ASSLB 报道的要大。理论计算表明，固体电解质电导率的增强可能是离子迁移能垒变平的结果，这是由上述晶体中的小程度化学取代引起的。
这项研究为制备用于毫米厚电极的高熵固体电解质同时保留其超离子传导路径提供了一种新方法。“实际上，所提出的设计规则为探索即使在室温下也具有优异充放电性能的新型超离子导体奠定了坚实的基础，”菅野教授总结道。

高熵超离子固态导体的新设计规则

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