锂离子超导体研究助力全固态电池未来！

【研究背景】

锂超离子导体是全固态电池的核心技术之一，因其具有高离子导电性而成为研究热点。相比于传统的液体电解质，这些无机超离子导体能显著提升电池的安全性和能量密度。然而，目前能够同时实现超离子导电性和满足所有实际需求的材料仍然有限，主要面临材料选择、稳定性以及经济性等挑战。

为了解决这些问题，加利福尼亚大学伯克利分校KyuJung Jun，Gerbrand Ceder等科学家们在结构和化学因素方面进行了深入研究。一方面，他们通过优化结构特征，如框架结构和锂离子位置，提高了导体的离子导电性；另一方面，他们还探索了化学调控的方法，以进一步提升导电性能。通过这些研究，科学家们不仅在材料性能上取得了突破，还为全固态电池的发展奠定了基础。这些进展为未来新型超离子导体的发现和应用提供了宝贵的经验和指导。

【表征亮点】

本文通过多种表征手段深入探讨了无机锂超离子导体的离子导电性，从而揭示了其在固态电池中的潜在应用价值。首先，本文采用了电化学阻抗谱（EIS）来直接测量离子导电性，并通过等效电路拟合分析区分了晶粒内部和晶粒边界的离子传导过程。EIS的应用揭示了在固态电池中，超离子导体的离子导电性可以通过优化晶粒结构和界面状态得到显著提升。

其次，本文通过同位素示踪技术，如时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）、质谱和中子深度剖析，测量了锂离子的扩散系数。这些技术揭示了锂离子的扩散机制及其在晶格中的迁移路径，为理解超离子导体的离子导电性提供了关键信息。此外，脉冲场梯度核磁共振（PFG-NMR）技术用于探讨自扩散系数，从微观层面分析了锂离子的运动行为。

在微观层面的研究中，固态核磁共振（NMR）被用来研究局部离子跳跃频率和随机行走扩散系数。通过谱线形状分析和NMR弛豫度测定，本文揭示了锂离子在不同温度下的扩散特性。此外，准弹性中子散射（QENS）和μ子自旋弛豫（μSR）技术用于探讨原子尺度上的离子扩散，这些结果帮助理解了离子在超离子导体中的实际传输行为。

最后，计算方法如分子动力学模拟和nudged elastic band计算被用于揭示锂离子在固态导体中的扩散机制。分子动力学模拟提供了锂离子扩散系数的估计，并揭示了原子级别的扩散路径。Nudged elastic band计算则用于估算锂离子迁移障碍，从而推导出宏观激活能量。尽管这些计算方法不能直接测量离子导电性，但它们为理解离子扩散机制提供了重要的理论支持。

综上所述，通过这些表征手段和发现，本文不仅揭示了超离子导体的离子导电性特点，还为优化其在固态电池中的应用提供了宝贵的见解。这些研究成果启发了未来在设计和开发新型超离子导体材料时，应该着重关注结构优化和化学成分调控。未来的研究应进一步探索如何结合这些微观机理与实验数据，推动新材料的发现和应用，以实现全固态电池的性能提升和商业化应用。

【图文解读】

图1：在无机晶体材料中，控制锂离子扩散的静态结构因素。

图2. 骨架对锂离子扩散的影响。

图3. 超离子导体中，锂Li位点拓扑的特征。

图 4 阴离子基团的旋转运动，对锂离子扩散的影响。

图5: 提高离子电导率的化学因素。

图6: 在增强离子电导率方面，各种设计原理的突破。

图7: 超离子导体的设计策略。

【结论展望】

本文深入理解和优化无机锂超离子导体的导电机制，以推动全固态电池的技术进步。首先，通过系统地探讨结构因素和化学因素对离子导电性的影响，揭示了结构框架和锂离子位点特征在提高导电性方面的重要性。这表明，设计高导电性材料不仅需要关注材料的结构特征，还要综合考虑其化学成分，以实现最优的离子导电性能。其次，文章总结了过去40年导体发展的关键概念和技术进展，强调了从理论研究到实际应用的转化过程。这为研究人员提供了一种系统化的思维框架，有助于在材料设计和优化中采用双重策略，既利用结构因素构建高导电原型，又通过化学调整进一步提升导电性。最后，本文提出了加速发现新型超离子导体的战略方法，为全固态电池的实际应用奠定了理论基础，推动了储能技术的发展。

原文详情：Jun, K., Chen, Y., Wei, G. et al. Diffusion mechanisms of fast lithium-ion conductors. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00715-9