《电子技术应用》

VCU研发锂超离子导体 提升固态电解质导电性

2017/10/31 18:28:41

  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。

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  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。

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  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。


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