VCU研发锂超离子导体 提升固态电解质导电性

Li3SBF4晶体结构示意图

据外媒报道，弗吉尼亚州立邦联大学（Virginia Commonwealth University，VCU）研究人员设计了新款锂超离子导体（lithium superionic conductor），其锂离子导电性可媲美有机电解液（organic liquid electrolytes）。

他们在美国国家科学院院刊（National Academy of Sciences，PNAS）上发表了一篇论文。研究人员在论文中宣称，基于团簇（Cluster）的锂离子超导体的导电性极高，室温下为0.01S/cm到0.1 S/cm以上，而活化能（activation energy ）较低，低于0.210 eV，能带间隙（band gap）为8.5 eV。此外，其机械性能表现也极为出色，弹性十足，可抑制锂树突的增多。

Li3SBF4材料的物理模型

在锂离子电池中，带正极的锂离子通过电解质进行流动。固态电解质可提升安全性、能量值及能量密度。然而，锂离子却在液态电解质内却能自由流动。锂离子在固态电解质内的流动性较差，对导电性产生不利影响。

为提升固态电解质的导电性，研究人员制作了一款计算模型，可去除单个负离子。负离子团簇将取代空缺的离子，前者是原子团簇，其所带电子（electrons）要多于质子（protons）。

VCU研究团队的方弘（Hong Fang）博士和Puru Jena教授实现了特定固态电解质扭曲（twist）的具象化，前者由其他人员进行过测试。最初，该电解质归属于反钙钛矿结构（antiperovskite）的晶族（family of crystals），其所含的正离子由三个锂原子级一个氧原子构成，正离子与单个氯原子相结合，因为后者是负离子。

在运算建模中，他们用一个负离子取代了氯原子，该负离子由一个硼原子和四个氟原子组成。

Li3S(BF4)0.5Cl0.5的晶体结构示意图

据其研究发现，锂超离子导体Li3SBF4与Li3S(BF4)0.5Cl0.5大体上拥有成为理想固态电解质的潜质。

Li3SBF4的能带间隙为8.5 eV，RT导电性为0.01S/cm，活化能为0.210 eV，形成能（formation energy）相对较小，机械性能也很理想。而Li3S(BF4)0.5Cl0.5的RT导电性大于0.1S/cm，活化能为0.176 eV。

两位专家共同致力于在实验室内测试其计算模型，旨在探究锂离子电池应用的最终形态。